JP2000302054A - 車両の操舵角制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ドライバーが安心して操舵輪のタイヤのグリ
ップ限界を超えない範囲内にてステアリング操作を行え
る車両の操舵角制御装置の提供。 【解決手段】 補助操舵角調整機構１４と、補助操舵角
調整機構を駆動するアクチュエータ（モータ１９）と、
目標操舵角δを算出する制御手段（コントローラ２０）
を有し、制御手段は、路面の摩擦係数推定手段１０１
と、限界車両運動状態量（限界ヨーレート）推定手段１
０２を有し、限界車両運動状態量が所定のステアリング
ホイール回転角（９０°）にて発生するとみなし、実ス
テアリングホイール回転角と所定回転角との比較により
目標車両運動状態量を演算し、目標車両状態運動量が得
られるよう目標操舵角を算出する車両の操舵角制御装置
とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステアリングホイ
ール操作に連動して操舵される操舵輪に対し、車両の運
動状態量に応じて切り増し又は切り戻し補正可能な補助
操舵角調整機構を備えた車両の操舵角制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ステアリングホイール操作に
連動して操舵される操舵輪に対し、切り増し又は切り戻
し制御可能な補助操舵角調整機構を備え、車両の各種運
動状態量に応じて操舵輪の操舵角を最適値に保持し、車
両の走行安定性等を向上させることができる車両の操舵
角制御装置が知られており、例えば、特開平４―９７０
８号公報に記載のものがある。これに記載された車両の
操舵角制御装置は、操舵輪の目標操舵角を設定するにあ
たり、操舵比（操舵輪の操舵角に対するステアリングホ
イールの回転角の比率）を車速感応とし、高速域では操
舵比を大きくし、低速域では操舵比を小さくするもので
ある。このように操舵比を設定することにより、高速域
では一定ステアリングホイール回転角に対する操舵輪の
操舵角が小さくなり車両の走行安定性等を向上させるこ
とができ、低速域では一定ステアリングホイール回転角
に対する操舵輪の操舵角が大きくなることで、車両の挙
動を俊敏化させて良好な操舵フィーリングを得たり、車
庫入れを容易化することができるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】車両は、操舵輪を操舵
することによりタイヤに発生するコーナリングフォース
により旋回するものであり、より大きなコーナリングフ
ォースが発生するほどより旋回力が増大するものであ
る。ここで、コーナリングフォースとは、タイヤの向き
とタイヤの進行方向とに差（すべり角）が発生すると、
タイヤの進行方向に対し直角方向に発生する横力をい
う。このコーナリングフォースとすべり角との関係は、
一般的に、図４のような関係がある。すなわち、コーナ
リングフォースＣｆは、すべり角αｆが一定値Ａ近傍に
達するまでは、すべり角αｆに比例して増大するが、す
べり角αｆが一定値Ａに達すると、最大値（限界コーナ
リングフォース又はタイヤのグリップ限界という。以下
同じ。）をとり、すべり角αｆが一定値Ａを超えると、
徐々に減少していくものである。よって、車両は、タイ
ヤのグリップ限界内（すべり角αｆ ＜ Ａ）にて走行
中は、ステアリングホイールの操作量に応じて比例的に
旋回力が増大し、ドライバーのステアリングフィーリン
グは良好なものとなるが、タイヤのグリップ限界を超え
た状態では、ドライバーは所望の旋回力が得られず、ま
た車両が不安定になりやすい。

【０００４】よって、上記の操舵角制御装置において
は、特に低速域では、ステアリングホイール操作に対す
る操舵輪の操舵角が大きいので、通常のステアリングホ
イール操作に対してすべり角も大きくなりやすく、タイ
ヤのグリップ限界を超えやすい状態となり、車両が不安
定になり易いという問題があった。

【０００５】ここで、タイヤのグリップ限界は、走行中
の路面の摩擦係数により左右されるものであり、走行中
の路面の摩擦係数が低いとき等は操舵輪のタイヤのグリ
ップ限界も低くなり、グリップ限界を超えやすくなるの
で、上記問題はさらに顕著に現れることになる。

【０００６】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたものであり、補助操舵角調整機構を有する車両の操
舵角制御装置において、走行中の路面の摩擦係数にとら
われずに、ドライバーが安心して操舵輪のタイヤのグリ
ップ限界を超えない範囲内にてステアリング操作を行え
るものを提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に記載の発明は、ステアリングホイールの
回転操作に応じて操舵輪を操舵する操舵角伝達機構と、
前記操舵角伝達機構の伝達経路中に設けられ前記操舵輪
を切り増し又は切り戻し可能に構成された補助操舵角調
整機構と、前記補助操舵角調整機構を駆動するアクチュ
エータと、各種センサから検出される各種実車両運動状
態量から前記操舵輪の目標操舵角を算出し前記操舵輪の
実操舵角が前記目標操舵角になるように前記アクチュエ
ータを制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、
路面の摩擦係数を推定する摩擦係数推定手段と、前記各
種実車両運動状態量と前記摩擦係数推定手段が推定した
路面の摩擦係数とから限界車両運動状態量を推定する限
界車両運動状態量推定手段とを有し、前記限界車両運動
状態量推定手段が推定した限界車両運動状態量が予め設
定した所定のステアリングホイール回転角にて発生する
とみなし、実ステアリングホイール回転角と前記所定の
ステアリングホイール回転角とを比較することで目標車
両運動状態量を演算し、前記目標車両状態運動量が得ら
れるように前記操舵輪の目標操舵角を算出することを特
徴とする車両の操舵角制御装置とした。

【０００８】請求項１に記載の発明によれば、制御手段
は、路面の摩擦係数を推定する摩擦係数推定手段と、各
種実車両運動状態量と摩擦係数推定手段が推定した路面
の摩擦係数とから限界車両運動状態量を推定する限界車
両運動状態量推定手段とを有するので、路面の摩擦係数
に応じた限界車両運動状態量を推定することができる。
ここで、限界車両運動状態量とは、タイヤのグリップ限
界にて走行する際に発生する車両運動状態量のことをい
い、車両運動状態量には、例えばヨーレート、コーナリ
ングフォース、タイヤのすべり角、車両の横加速度等の
物理量が考えられる。

【０００９】また、制御手段は、操舵輪の目標操舵角を
算出するにあたり、限界車両運動状態量推定手段が推定
した限界車両運動状態量が予め設定した所定のステアリ
ングホイール回転角にて発生するとみなし、実ステアリ
ングホイール回転角と所定のステアリングホイール回転
角とを比較することで目標車両運動状態量を演算し、こ
の目標車両状態運動量が得られるように操舵輪の目標操
舵角を算出するので、ドライバーは、予め設定した所定
のステアリングホイール回転角を保持すれば、限界車両
運動状態すなわちタイヤのグリップ限界の状態が得られ
ることになる。また、ステアリングホイールを上記所定
の回転角以下にて操作していれば、必ず、限界車両運動
状態に達っしない状態すなわちタイヤのグリップ限界内
の状態にて走行することが可能となる。よって、ドライ
バーは、上記所定のステアリング回転角保持時がタイヤ
のグリップ限界となることを知ることで、安心して操舵
輪のタイヤのグリップ限界を超えない範囲内にてステア
リング操作を行うことが可能となる。

【００１０】より好ましくは、請求項２に記載の発明の
ように、各種センサから検出される各種実車両運動状態
量は、少なくとも実ステアリングホイール回転角と車速
を含み、制御手段が推定する限界車両運動状態量を限界
ヨーレートとし、制御手段が演算する目標車両運動状態
量は目標ヨーレートとすることが望ましい。

【００１１】限界ヨーレートは、路面の摩擦係数と車速
により簡易に算出できるので、請求項２に記載の発明に
よれば、制御手段は、摩擦係数推定手段が推定する路面
の摩擦係数とセンサにより検出される車速により、容易
に限界ヨーレートが算出でき、さらに、センサにより検
出される実ステアリングホイール回転角と所定のステア
リング回転角とを比較することで目標ヨーレートを演算
し、この目標ヨーレートが得られるように、操舵輪の目
標操舵角を算出することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照しながら説明する。

【００１３】図１は、本発明の一実施形態に係る車両の
操舵角制御装置全体のつながりを示す模式図である。ま
ず、機械的構成について説明する。

【００１４】図１において、１１はステアリングホイー
ルであり、ステアリング入力軸１２と一体固設されてい
る。１５はステアリング出力軸であり、ステアリング入
力軸１２と同軸的に配設されており、ステアリング出力
軸１５とステアリング入力軸１２とは、補助操舵角調整
機構１４を介して連結されている。

【００１５】さらに、ステアリング出力軸１５は、図示
しないラックアンドピニオン機構等によりタイロッド１
６に連結され、ステアリング出力軸１５の回転が、タイ
ロッド１６の図１における左右方向の変位に変換される
ようになっている。タイロッド１６の両端には、リンク
機構１７を介して操舵輪１０がそれぞれ連結されてお
り、タイロッド１６の図１における左右方向の変位によ
り、操舵輪１０が操舵される構造となっている。

【００１６】以上の構成により、ステアリングホイール
１１を回転操作すると、その回転は、ステアリング入力
軸１２、補助操舵角調整機構１４を介して、ステアリン
グ出力軸１５に伝達され、ステアリング出力軸１５の回
転が、タイロッド１６の左右方向の変位に変換されるこ
とにより、リンク機構１７を介して操舵輪１０が操舵さ
れることになる。このように、ステアリング入力軸１
２、補助操舵角調整機構１４、ステアリング出力軸１
５、タイロッド１６及びリンク機構１７にて、操舵角伝
達機構を構成している。

【００１７】また、補助操舵角調整機構１４は、モータ
１９（アクチュエータ）により駆動される。この補助操
舵角調整機構１４は、非駆動状態では、ステアリング入
力軸１２の回転角とステアリング出力軸１５の回転角と
は、一定の対応関係に保持するが、駆動状態では、ステ
アリング入力軸１２の回転角に対するステアリング出力
軸１５の回転角を調整し、操舵輪１０の切り増し又は切
り戻しを行うことができる。

【００１８】次に、補助操舵角調整機構１４の制御系に
ついて説明する。図１において、１８は操舵輪１０の操
舵角センサであり、操舵角センサ１８は、操舵輪１０の
実操舵角（実車両運動状態量）を検出し、その信号を出
力する。１３はステアリング操作角度センサであり、ス
テアリング操作角度センサ１３は、実ステアリングホイ
ール回転角（実車両運動状態量）を検出し、その信号を
出力する。２０はコントローラ（制御手段）であり、コ
ントローラ２０は、操舵角センサ１８及びステアリング
操作角度センサ１３の出力信号、並びに図示しない車速
センサ、ステアリング操舵トルクセンサ及びヨーレート
センサの出力信号を受け、これら出力信号から、後述す
る演算により操舵輪１０の目標操舵角を算出する。そし
て、そのときの操舵輪１０の実操舵角が、算出された目
標操舵角と一致していない場合には、実操舵角が目標操
舵角になるようにモータ１９を制御し、補助操舵角調整
機構１４を駆動する。補助操舵角調整機構１４が駆動さ
れると、前述のように、操舵輪１０の切り増し又は切り
戻しが行われ、操舵輪１０の実操舵角が目標操舵角にな
るように追値制御される。

【００１９】次に、図２を用いて、本発明の一実施例に
おけるコントローラ２０の具体的な演算手順について説
明する。

【００２０】まず、ステップ１０１では、路面の摩擦係
数μの推定を行う（摩擦係数推定手段）。路面の摩擦係
数μは、ステアリング操作角度センサ１３から出力され
る実ステアリングホイール回転角、図示しない車速セン
サから出力される車速、及び、図示しないステアリング
操舵トルクセンサから出力されるステアリング操舵トル
クを基に、所定の物理的な演算を行うことにより推定さ
れる。なお、路面の摩擦係数μの推定方法は、かかる方
法に限定されず、例えば、光の反射分析等により直接計
測する方法を採用してもよい。

【００２１】次に、ステップ１０２では、ステップ１０
１で推定された路面の摩擦係数μ、ステアリング操作角
度センサ１３から出力される実ステアリングホイール回
転角、及び、図示しない車速センサから出力される車速
を基に、目標ヨーレート（目標車両運動状態量）を演算
する。この目標ヨーレートを演算するにあたり、まず、
路面の摩擦係数μ及び車速を基に、限界ヨーレートを推
定する（限界車両運動状態量推定手段）。限界ヨーレー
トrmaxは、路面の摩擦係数μから限界コーナリングフォ
ースをFfmaxを求めることにより、rmax＝Ffmax・（１＋l
f/lr）/（m・v）の関係式により推定できる。ここで、lf
は車両重心から前輪車軸までの距離、lrは車両重心から
後輪車軸までの距離、mは車両質量、vは車速である。こ
の推定された限界ヨーレートrmaxをマップに表せば、ス
テップ１０２の線図ａにようになる。線図ａは、路面の
摩擦係数μにより変化し、コントローラ２０は、種々の
摩擦係数μに対するマップを準備している。線図ｂは、
余裕を考慮し、線図ａから１０％減算した限界ヨーレー
トをマップに表したものである。コントローラ２０は、
この線図ｂに表される限界ヨーレートが、ステアリング
ホイール回転角９０°（所定のステアリングホイール回
転角）に保持している状態にて発生するとみなす。ここ
で、９０°を選んだのは、ドライバーがステアリングホ
イールを操作する手を持ち替えずに容易に操作できる範
囲の最大値だからである。そして、実ステアリングホイ
ール回転角と９０°とを比較し、９０°に対する実ステ
アリングホイール回転角の割合（例えば、実ステアリン
グホイール回転角が４５°の場合、０．５）を線図ｂ上
のヨーレート値に乗算して、目標ヨーレートを演算す
る。

【００２２】つぎに、ステップ１０３では、ステップ１
０２で演算された目標ヨーレートと、図示しないヨーレ
ートセンサから出力される実ヨーレートを基に、ヨーレ
ート追従制御演算を行う。ヨーレート追従制御演算の具
体的な処理の流れを図３に示す。図３において、まず、
目標ヨーレートを基に、ステップ１１０にて、この目標
ヨーレートが得られる操舵輪１０の目標操舵角フィード
フォワード項を算出する。目標操舵角フィードフォワー
ド項δffは、δff＝（１＋Kv²）・（r・l/v）の関係式に
より算出される。ここで、rは目標ヨーレート、lは車両
のホイールベース、KはスタビリティファクタでありK＝
-（m/（2・l²））・（（lf・Kf-lr・Kr）/（Kf・Kr））であ
る（Kfは前輪タイヤコーナリングパワー、Krは後輪タイ
ヤコーナリングパワー）。次に、ステップ１１１にて、
目標ヨーレートと、図示しないヨーレートセンサから出
力される実ヨーレートとの偏差をとり、この偏差を基
に、ステップ１１２にて、誤差修正演算を行い、いわゆ
るＰＩＤ制御等により操舵輪１０の目標操舵角フィード
バック項δfbを算出する。そして、ステップ１１３に
て、目標操舵角フィードフォワード項δffと目標操舵角
フィードバック項δfbとを加算して、目標操舵角δを算
出する。

【００２３】次に、図２に戻り、ステップ１０３にて算
出された目標操舵角δに対し、車速が低い場合には、以
下のような修正を加える。すなわち、一般に車速が低い
場合（例えば１０km/h以下）においては、実ヨーレート
の計測が困難となるので、上記ステップ１１２において
誤差修正演算が不正確又は不可能となる。よって、車速
が低い場合（１０km/h以下）には、ステップ１０３にて
算出された目標操舵角δは採用せず、実ステアリングホ
イール回転角を、低速域にて最適な最小操舵比（一定
値、ステップ１０４）にて除算した値δsを目標操舵角
とする。そして、ステップ１０３にて算出された目標操
舵角δと、低速域にて採用される目標操舵角δsとの不
連続性を解消するため、車速１０〜２０km/hの間にて両
者の線形補間をとる。そのため、目標操舵角δには、マ
ップ１０５にて示されるゲインＧ’をステップ１０７に
て乗算し、δ’を出力する。目標操舵角δsには、マッ
プ１０６にて示されるゲインＧをステップ１０８にて乗
算し、δs’を出力する。最後にステップ１０９にて
δ’とδs’と加算することにより、最終目標舵角δfin
を算出し、実操舵角が、最終目標操舵角δfinになるよ
うに、コントローラ２０は、アクチュエータ１９へ制御
信号を供給し、操舵輪１０の操舵角が調整制御される。

【００２４】以上の例は、車両運動状態量としてヨーレ
ートを採用し、推定された限界ヨーレートを基に操舵輪
の操舵角を演算した場合を示したが、例えば、コーナリ
ングフォース、タイヤのすべり角、車両の横加速度等の
各種物理量を車両運動状態量として採用し、これらの限
界車両運動状態量を推定することで、同様に操舵輪の操
舵角を算出してもよい。

【００２５】本発明によれば、以上のように操舵輪の操
舵角が制御されるので、ドライバーは、予め設定した所
定のステアリングホイール回転角を保持すれば、限界車
両運動状態すなわちタイヤのグリップ限界の状態が得ら
れることになる。また、ステアリングホイールを上記所
定の回転角以下にて操作していれば、必ず、限界車両運
動状態に達っしない状態すなわちタイヤのグリップ限界
内の状態にて走行することが可能となる。よって、ドラ
イバーは、上記所定のステアリング回転角保持時がタイ
ヤのグリップ限界となることを知ることで、安心して操
舵輪のタイヤのグリップ限界を超えない範囲内にてステ
アリング操作を行うことが可能となる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
補助操舵角調整機構を有する車両の操舵角制御装置にお
いて、走行中の路面の摩擦係数にとらわれずに、ドライ
バーが安心して操舵輪のタイヤのグリップ限界を超えな
い範囲内にてステアリング操作を行えるものを提供する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る車両の操舵角制御装
置全体のつながりを示す模式図である。

【図２】本発明の一実施例におけるコントローラの具体
的な演算手順を示したフローチャートである。

【図３】図２におけるヨーレート追従制御演算の具体的
な処理の流れを示すフローチャートである。

【図４】コーナリングフォースとすべり角との一般的な
関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１０ 操舵輪 １１ ステアリングホイール １４ 補助操舵角調整機構 １９ モータ（アクチュエータ） ２０ コントローラ（制御手段、摩擦係数推定手段、限
界車両運動状態量推定手段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステアリングホイールの回転操作に応じ
   て操舵輪を操舵する操舵角伝達機構と、前記操舵角伝達
   機構の伝達経路中に設けられ前記操舵輪を切り増し又は
   切り戻し可能に構成された補助操舵角調整機構と、前記
   補助操舵角調整機構を駆動するアクチュエータと、各種
   センサから検出される各種実車両運動状態量から前記操
   舵輪の目標操舵角を算出し前記操舵輪の実操舵角が前記
   目標操舵角になるように前記アクチュエータを制御する
   制御手段と、を有し、前記制御手段は、路面の摩擦係数
   を推定する摩擦係数推定手段と、前記各種実車両運動状
   態量と前記摩擦係数推定手段が推定した路面の摩擦係数
   とから限界車両運動状態量を推定する限界車両運動状態
   量推定手段とを有し、前記限界車両運動状態量推定手段
   が推定した限界車両運動状態量が予め設定した所定のス
   テアリングホイール回転角にて発生するとみなし、実ス
   テアリングホイール回転角と前記所定のステアリングホ
   イール回転角とを比較することで目標車両運動状態量を
   演算し、前記目標車両状態運動量が得られるように前記
   操舵輪の目標操舵角を算出することを特徴とする車両の
   操舵角制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、各種センサから検出
   される前記各種実車両運動状態量は、少なくとも実ステ
   アリングホイール回転角と車速を含み、前記限界車両運
   動状態量は限界ヨーレートであり、前記目標車両運動状
   態量は目標ヨーレートであることを特徴とする車両の操
   舵角制御装置。