JP2004243813A - 車両用操舵制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】横加速度およびヨーレートの結合制御により、車体横加速度の応答性およびヨーレートの減衰性を両立させる。
【解決手段】前輪舵角算出手段１４がハンドル操舵角δ、車速Ｖおよび横加速度ＹＧに基づいて目標横加速度を得るための前輪舵角δｆを算出し、この前輪舵角δｆをステアリングアクチュエータ１３により発生させるとともに、ヨーモーメント算出手段１５が目標ヨーレート減衰率を得るためのダンピングファクターＤおよびヨーレートγに基づいてヨーモーメントＭｚを算出し、これに微分要素および遅れ要素を付加したヨーモーメントＭｚを差動制限装置１１あるいはダイレクトヨーモーメント制御手段１２により発生させるので、操舵時にハンドル操舵角δに対する横加速度ＹＧの応答性を高めながらヨーレートγの減衰性を高めることができる。
【選択図】 図９
【解決手段】前輪舵角算出手段１４がハンドル操舵角δ、車速Ｖおよび横加速度ＹＧに基づいて目標横加速度を得るための前輪舵角δｆを算出し、この前輪舵角δｆをステアリングアクチュエータ１３により発生させるとともに、ヨーモーメント算出手段１５が目標ヨーレート減衰率を得るためのダンピングファクターＤおよびヨーレートγに基づいてヨーモーメントＭｚを算出し、これに微分要素および遅れ要素を付加したヨーモーメントＭｚを差動制限装置１１あるいはダイレクトヨーモーメント制御手段１２により発生させるので、操舵時にハンドル操舵角δに対する横加速度ＹＧの応答性を高めながらヨーレートγの減衰性を高めることができる。
【選択図】 図９
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の旋回時に横加速度およびヨーレートを共に適切な値に制御するための車両用操舵制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハンドルとステアリングギヤボックスとの機械的接続を絶った状態で、ハンドルの操作量を電気信号に変換し、その電気信号に基づいてステアリングギヤボックスに接続したステアリングアクチュエータを駆動して車輪を転舵するとともに、前記操作量に応じてハンドルに設けた操舵反力アクチュエータを駆動して該ハンドルに操舵反力を付与する車両用操舵制御装置は、ＳＢＷ（ステア・バイ・ワイヤ）として知られている。
【０００３】
かかる車両用操舵制御装置において、横加速度モデルフォロイング制御あるいはヨーレートモデルフォロイング制御により、横加速度およびヨーレートの何れか一方を望みの特性に制御可能である。
【０００４】
先ず、図１に示す二輪等価モデルを用いて、車両の水平面内における運動を解析する。
【０００５】
車両の重心点ＣＧの横方向の運動方程式と、車両の重心点ＣＧまわりの角運動方程式は、［数１］により与えられる。
【０００６】
【数１】
【０００７】
［数１］における前輪トータル横力Ｆｙｆおよび後輪トータル横力Ｆｙｒは、［数２］により与えられ、また［数１］は［数３］の横加速度ＹＧを用いて更に簡素化される。
【０００８】
【数２】
【０００９】
【数３】
【００１０】
［数１］〜［数３］をラプラス変換し、伝達関数としてまとめると、［数４］および［数５］が得られる。
【００１１】
【数４】
【００１２】
【数５】
【００１３】
［数４］および［数５］中の記号の定義は、［数６］に示される。
【００１４】
【数６】
【００１５】
ところで、ＳＢＷによる車両用操舵制御装置において、例えば車両の旋回性能を向上させる等の観点から、横加速度モデルフォロイング制御を用いて横加速度ＹＧの応答性を高めることができる。
【００１６】
一例として、ドライバーのハンドル操舵角δに対する目標横加速度特性を、［数７］に示す線形一次系とし、この目標を達成（フォロー）する前輪操舵制御則を導く。
【００１７】
【数７】
【００１８】
実際の車両において、前輪舵角δｆに対する横加速度ＹＧの伝達関数は、［数５］から［数８］のように定義される。
【００１９】
【数８】
【００２０】
［数７］および［数８］の定義から、実横加速度ＹＧが目標横加速度ＹＧｍになるような、つまりＹＧ−ＹＧｍ→０となるような目標前輪舵角δｆｍを求めると、［数９］のようになる。
【００２１】
【数９】
【００２２】
［数９］により、例えばセンサで検出した横加速度ＹＧと、センサで検出したドライバーのハンドル操舵角δと、二輪等価モデルとして定義した各係数とから目標前輪舵角δｆｍが求まることになり、例えば、目標横加速度時定数Ｔｍを小さくすることで、横加速度ＹＧの応答性が向上する目標前輪舵角δｆｍを得ることができる。
【００２３】
以上、横加速度モデルフォロイング制御を用いて横加速度ＹＧの応答性を高める場合について説明したが、同様にしてヨーレートモデルフォロイング制御を用いてヨーレートγの応答性を高めることもできる。即ち、横加速度モデルフォロイング制御あるいはヨーレートモデルフォロイング制御を用いることで、望みの横加速度特性あるいはヨーレート特性の何れか一方を得ることができる。
【００２４】
尚、車両のヨーレートを目標ヨーレートに一致させための車両用操舵制御装置が下記特許文献により公知である。
【００２５】
【特許文献】
特許第２８６１５７０号公報
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、［数４］の前輪舵角δｆに対するヨーレートγの伝達関数と、［数５］の前輪舵角δｆに対する横加速度ＹＧの伝達関数とから、ヨーレートγに対する横加速度ＹＧの伝達関数は［数１０］のようになる。
【００２７】
【数１０】
【００２８】
［数１０］から、ヨーレートモデルフォロイング制御でヨーレートγの応答性を向上させても、横加速度ＹＧの応答性を向上できないことが分かる。なぜならば、［数１０］において、ヨーレートγに対する横加速度ＹＧの発生遅れが、車速Ｖの増加に伴って増大することを、ヨーレート時定数Ｔγの存在が示している。
【００２９】
次に、［数４］および［数５］から、横加速度ＹＧに対するヨーレートγの伝達関数は［数１１］のようになる。
【００３０】
【数１１】
【００３１】
［数１１］の分母係数に着目すると、車速Ｖの増加に伴って横加速度時定数１であるＴｙ１の値が減少することから、本伝達関数の特性根、即ち極配置が変化し、ヨーレートγの応答性や減衰性に影響を与えることが分かる。
【００３２】
以下、その理由を更に具体的に説明する。先ず、前輪操舵制御によって横加速度モデルフォロイング制御を行った場合の、ハンドル操舵角δに対するヨーレートγの伝達関数を導く。そのために［数９］の前輪操舵角制御則の横加速度ＹＧに、［数７］の目標横加速度特性の横加速度ＹＧを代入すると［数１２］が得られる。
【００３３】
【数１２】
【００３４】
［数１２］の前輪舵角δｆを［数４］に代入すると、ハンドル操舵角δに対するヨーレートγの伝達関数である［数１３］が得られる。
【００３５】
【数１３】
【００３６】
［数１３］が、線形一次横加速度モデルをフォローするように前輪舵角制御した場合の、ハンドル操舵角δに対するヨーレートγの伝達関数である。
【００３７】
さて、［数１３］の特性方程式である［数１４］に着目する。
【００３８】
【数１４】
【００３９】
ここで、車両の旋回性能を向上させるために、目標横加速度特性の時定数Ｔｍを小さく設定すると、［数１５］から明らかなように、特性方程式である［数１４］の３個の根（極）のうち、実数根（実極）は負の方向に大きくなる。
【００４０】
【数１５】
【００４１】
従って、［数１４］の３個の根の配置（極配置）は、図２の複素平面図に示すようになる。
【００４２】
図２において、時定数Ｔｍを０に近づけていくと、実極は実数軸の無限遠方に向かい、このとき共役複素極Ｒ１，Ｒ２、つまり特性方程式である［数１４］のうち、［数１６］の部分の根がハンドル操舵角δに対するヨーレートγの過渡特性を支配する。
【００４３】
【数１６】
【００４４】
図３は、［数１６］から車速Ｖの増加に対する共役複素極Ｒ１，Ｒ２の軌跡を求めたもので、車速Ｖの増加に伴ってハンドル操舵角δに対するヨーレートγの減衰性が低下することが分かる。
【００４５】
以上のことから、横加速度モデルフォロイング制御により前輪操舵制御を行う場合において、横加速度ＹＧの応答性の向上を狙って時定数Ｔｍを小さく設定しても、ヨーレートγの減衰特性の向上を図れないことになる。
【００４６】
また、逆に横加速度ＹＧの応答性を低下させるように時定数Ｔｍを大きく設定すると、特性方程式である［数１４］のうちの［数１５］の部分の根が図２の複素平面の原点に近づき、その根がハンドル操舵角δに対するヨーレートγの過渡特性を支配する。具体的には、［数１５］の実極が原点に近づくことで、ハンドル操舵角δに対するヨーレートγの過渡特性は、立ち上がりは低下するが減衰性が向上して安定する。
【００４７】
このように、ＳＢＷによる車両用操舵制御装置においては、横加速度モデルフォロイング制御あるいはヨーレートモデルフォロイング制御を行っても、ヨーレートγおよび横加速度ＹＧの過渡的な相互関係は車両固有の諸元に支配されるため、ヨーレートγおよび横加速度ＹＧの両方を所望の特性に制御することができなかった。
【００４８】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、横加速度およびヨーレートの結合制御により、車体横加速度の応答性およびヨーレートの減衰性を両立させることを目的とする。
【００４９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、ハンドル操舵角を検出するハンドル操舵角検出手段と、車速を検出する車速検出手段と、横加速度を検出する横加速度検出手段と、ヨーレートを検出するヨーレート検出手段と、ハンドル操舵角、車速および横加速度に基づいて目標横加速度を得るための前輪舵角を算出する前輪舵角算出手段と、前輪を操舵して前記前輪舵角を発生させる操舵手段と、目標ヨーレート減衰率を得るためのダンピングファクターおよびヨーレートに基づいてヨーモーメントを算出するヨーモーメント算出手段と、車両に前記ヨーモーメントを発生させるヨーモーメント発生手段とを備えたことを特徴とする車両用操舵制御装置が提案される。
【００５０】
上記構成によれば、ハンドル操舵角、車速および横加速度に基づいて目標横加速度を得るための前輪舵角を算出し、この前輪舵角を操舵手段により発生させるとともに、目標ヨーレート減衰率を得るためのダンピングファクターおよびヨーレートに基づいてヨーモーメントを算出し、このヨーモーメントをヨーモーメント発生手段により発生させるので、操舵時にハンドル操舵角に対する横加速度の応答性を高めながらヨーレートの減衰性を高めることができる。
【００５１】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、ヨーモーメント算出手段で算出したヨーモーメントに微分要素および遅れ要素を付加する微分・遅れ手段を備えたことを特徴とする車両用操舵制御装置が提案される。
【００５２】
上記構成によれば、算出したヨーモーメントに微分要素および遅れ要素を付加して操舵過渡状態でのみダンピングが効くようにしたので、操舵後の定常状態においてヨーモーメントおよびそれを打ち消すための前輪舵角制御量を共に減少させて非効率的なタイヤの利用を防止することができる。
【００５３】
尚、実施例の差動制限装置１１およびダイレクトヨーモーメント制御装置１２は本発明のヨーモーメント発生手段に対応し、実施例のステアリングアクチュエータ１３は本発明の操舵手段に対応する。
【００５４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００５５】
図４に示すように、本実施例の車両は左右の車輪Ｗ，Ｗ間に差動制限装置（ＬＳＤ）１１を備える。差動制限装置１１は左右の車輪Ｗ，Ｗに均等に駆動力を配分する差動装置の機能を制限するもので、それにより左右の車輪Ｗ，Ｗの一方の駆動力（制動力）を増加させ、他方の駆動力（制動力）を減少させることができる。この差動制限装置１１により車両の重心点ＣＧまわりにヨーモーメントＭｚを発生させると、［数１］の運動方程式は［数１Ａ］のようになる。
【００５６】
【数１Ａ】
【００５７】
尚、ヨーモーメントＭｚは［数１７］のように、目標ヨーレート減衰率ζγを達成するようなダンピングファクターＤを用いて定義される。
【００５８】
【数１７】
【００５９】
［数７］の目標横加速度ＹＧｍの特性式をフォローさせた場合のハンドル操舵角δに対するヨーレートγの伝達関数が［数１３］で与えられることを既に説明したが、更に［数１３］、［数１Ａ］および［数１７］により、ハンドル操舵角δに対するヨーレートγの伝達関数が［数１３Ａ］で与えられる。この伝達関数が、線型一次横加速度モデルをフォローするように前輪を操舵制御し、更にヨーモーメントＭｚを追加した場合のハンドル操舵角δに対するヨーレートγの伝達関数となる。
【００６０】
【数１３Ａ】
【００６１】
さて、本伝達関数の分母＝０とした下記特性方程式に着目する。
【００６２】
【数１８】
【００６３】
例えば、車両の旋回性能を向上させるために目標横加速度特性の時定数Ｔｍを小さく設定すると、［数１８］の３個の根（＝極）のうちの実数根（＝実極）は負の方向に大きくなり、このとき共約複素極、つまり［数１８］のうちの［数１９］の部分の根が、ハンドル操舵角δに対するヨーレートγの過渡特性を支配する。
【００６４】
【数１９】
【００６５】
従って、［数１７］のヨーモーメントＭｚの追加により、目標ヨーレート減衰率ζγを達成するダンピングファクターＤは、［数１９］から［数２０］のように算出される。
【００６６】
【数２０】
【００６７】
［数２０］のダンピングファクターＤを与えることで、前輪舵角制御による横加速度フォロー（横加速度応答性の改善）に加えて、目標ヨーレート減衰特性ζγを達成することができる。
【００６８】
次に、差動制限装置１１を用いたヨーモーメントＭｚの制御により［数２０］のダンピングファクターＤを与える具体的手法を説明する。
【００６９】
図４において、左右の車輪Ｗ，Ｗの前後スリップ率Ｓは［数２１］で与えられる。
【００７０】
【数２１】
【００７１】
ビスカスカップリングを用いた差動装置において、その粘性抵抗Ｃによる差動制限トルクが左右の車輪Ｗ，Ｗの速度差に比例するとすれば、［数２１］のスリップ率Ｓに比例した左右の車輪Ｗ，Ｗの制駆動力差Ｘに釣り合うため、［数２２］が成立する。
【００７２】
【数２２】
【００７３】
尚、Ｋｓは制駆動力スティフネスである。従って、［数２２］より、左右車軸回転数差Δωが［数２３］で与えられる。
【００７４】
【数２３】
【００７５】
［数２２］および［数２３］により左右の車輪Ｗ，Ｗの制駆動力差Ｘは［数２４］で与えられる。
【００７６】
【数２４】
【００７７】
ヨーレート減衰として働くヨーモーメントＭｚは、［数１７］および［数２４］から［数２５］で与えられる。
【００７８】
【数２５】
【００７９】
差動制限時にビスカスカップリングの粘性抵抗ＣをＣ→∞とすると、［数２５］から差動制限装置１１による最大ヨーモーメントＭｚ ｍａｘ は［数２６］で与えられる。
【００８０】
【数２６】
【００８１】
［数２６］からダンピングファクターＤは［数２７］で与えられる。
【００８２】
【数２７】
【００８３】
［数２７］のダンピングファクターＤが、ビスカスカップリングを備えた差動制限装置１１で差動制限を行うことで発生する最大ヨーモーメントＭｚ ｍａｘ 、つまり最大ヨーレート減衰率ζγ ｍａｘ （限界値）を与える。この最大ヨーレート減衰率ζγ ｍａｘ は、［数２０］に［数２７］を代入することで［数２８］で与えられる。
【００８４】
【数２８】
【００８５】
尚、［数２８］の計算結果は、前輪および後輪を共に差動制限した場合のものである。
【００８６】
前輪操舵制御により目標横加速度（二次遅れ系）フォローし、かつ差動制限装置１１で差動制限を行って最大ヨーレート減衰率ζγ ｍａｘ を与えた場合の計算結果を図６に示す。図５は上記制御を行わない比較例である。図５および図６の何れも、ステップ状のハンドル操舵角δ＝３５°を与えた状態で、車両が１００ｋｍの初速から−０．４Ｇの減速を行った場合ものである。
【００８７】
図５の比較例では、操舵に伴って立ち上がる横加速度ＹＧの応答性に僅かな遅れがあり、ヨーレートγおよび横滑り角βは発散している。それに対して、図６の実施例では、ステアリングアクチュエータ１３（図１参照）による前輪舵角制御量δａおよび差動制限装置１１によるヨーモーメントＭｚを発生させることで、操舵に伴う横加速度ＹＧの立ち上がりの応答性が高まり、かつヨーレートγは発散せずに一定値に収束し、横滑り角βも０に収束していることが分かる。
【００８８】
ところで、差動制限装置１１では発生可能なヨーモーメントＭｚに限界があるが、エンジンの駆動力を左右の車輪Ｗ，Ｗに任意の比率で配分するダイレクトヨーモーメント制御装置１２（図４参照）を用いることで、任意の大きさのヨーモーメントＭｚを発生させることができる。
【００８９】
［数２０］において目標ヨーレート減衰率ζγを大きく設定するとダンピングファクターＤが大きくなるため、［数１７］から操舵完了後の定常旋回時のヨーモーメントＭｚが増大する。即ち、図６および図７を比較すると明らかなように、目標ヨーレート減衰率ζγを大きく設定した図７の方が、定常旋回時のヨーモーメントＭｚが増大する。尚、この大きなヨーモーメントＭｚはダイレクトヨーモーメント制御装置１２により発生可能である。
【００９０】
このことは、あるカーブを通過する際にヨーモーメントＭｚが増大した結果、それを打ち消すための前輪操舵制御量δａが増大することを意味し、非効率的なタイヤの利用となる。これを防止するために、［数１７］に微分要素および遅れ要素を追加した［数１７Ａ］に基づき、操舵過渡状態でのみダンピングが効くように制御する。
【００９１】
【数１７Ａ】
【００９２】
図８には微分要素および遅れ要素を追加した［数１７Ａ］に基づく制御の計算結果が示されており、これを前記図７と比較すると明らかなように、操舵が完了した後の定常旋回時におけるヨーモーメントＭｚが減少し、それに応じて前輪舵角制御量δａが速やかに減少して０に収束していることが分かる。
【００９３】
図９には車両用操舵制御装置の制御系のブロック図が示される。車両用操舵制御装置は前輪舵角算出手段１４と、ヨーモーメント算出手段１５と、微分・遅れ手段１６とを備えており、ハンドル操舵角検出手段Ｓ１で検出したハンドル操舵角δと、車速検出手段Ｓ２で検出した車速Ｖと、横加速度検出手段Ｓ３で検出した横加速度ＹＧとが前輪舵角算出手段１４に入力され、前輪舵角算出手段１４で算出した前輪舵角δｆが得られるように車両のステアリングアクチュエータ１３の作動が制御される。またヨーレート検出手段Ｓ４で検出したヨーレートγが入力されるヨーモーメント算出手段１５は、ヨーレートγおよびダンピングファクターＤからヨーモーメントＭｚを算出し、それに微分・遅れ手段１６で微分・遅れ要素を付加したヨーモーメントＭｚが得られるように、差動制限装置１１あるいはダイレクトヨーモーメント制御装置１２の作動が制御される。
【００９４】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００９５】
例えば、実施例ではＳＢＷによる車両用操舵制御装置を例示したが、本発明はマニュアル操舵装置に電動パワーステアリング装置を付加したものにも適用することができる。この場合、図９に示すように、ハンドル操舵角δにステアリングギヤ比を乗算したものを前輪舵角算出手段１４が出力する前輪舵角δｆから減算すれば、同様の作用効果を得ることができる。
【００９６】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、ハンドル操舵角、車速および横加速度に基づいて目標横加速度を得るための前輪舵角を算出し、この前輪舵角を操舵手段により発生させるとともに、目標ヨーレート減衰率を得るためのダンピングファクターおよびヨーレートに基づいてヨーモーメントを算出し、このヨーモーメントをヨーモーメント発生手段により発生させるので、操舵時にハンドル操舵角に対する横加速度の応答性を高めながらヨーレートの減衰性を高めることができる。
【００９７】
また請求項２に記載された発明によれば、算出したヨーモーメントに微分要素および遅れ要素を付加して操舵過渡状態でのみダンピングが効くようにしたので、操舵後の定常状態においてヨーモーメントおよびそれを打ち消すための前輪舵角制御量を共に減少させて非効率的なタイヤの利用を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】四輪車の二輪等価モデルを示す図
【図２】［数１４］の特性方程式の３個の根を示す複素平面図
【図３】車速の増加に伴う共役複素極の軌跡を示す複素平面図
【図４】差動制限装置の機能を説明する図
【図５】ヨーモーメント制御を行わない場合の計算結果を示すグラフ
【図６】ヨーモーメント制御を行った場合の計算結果を示すグラフ（差動制限装置を使用した場合）
【図７】ヨーモーメント制御を行った場合の計算結果を示すグラフ（ダイレクトヨーモーメント制御装置を使用した場合）
【図８】ヨーモーメント制御を行った場合の計算結果を示すグラフ（ダイレクトヨーモーメント制御装置を使用し、かつ微分・遅れ制御を実行した場合）
【図９】車両用操舵制御装置の制御系のブロック図
【符号の説明】
１１ 差動制限装置（ヨーモーメント発生手段）
１２ ダイレクトヨーモーメント制御装置（ヨーモーメント発生手段）
１３ ステアリングアクチュエータ（操舵手段）
１４ 前輪舵角算出手段
１５ ヨーモーメント算出手段
１６ 微分・遅れ手段
Ｄ ダンピングファクター
Ｍｚ ヨーモーメント
Ｓ１ ハンドル操舵角検出手段
Ｓ２ 車速検出手段
Ｓ３ 横加速度検出手段
Ｓ４ ヨーレート検出手段
Ｖ 車速
ＹＧ 横加速度
ＹＧｍ 目標横加速度
ζγ 目標ヨーレート減衰率
γ ヨーレート
δ ハンドル操舵角
δｆ 前輪舵角
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の旋回時に横加速度およびヨーレートを共に適切な値に制御するための車両用操舵制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハンドルとステアリングギヤボックスとの機械的接続を絶った状態で、ハンドルの操作量を電気信号に変換し、その電気信号に基づいてステアリングギヤボックスに接続したステアリングアクチュエータを駆動して車輪を転舵するとともに、前記操作量に応じてハンドルに設けた操舵反力アクチュエータを駆動して該ハンドルに操舵反力を付与する車両用操舵制御装置は、ＳＢＷ（ステア・バイ・ワイヤ）として知られている。
【０００３】
かかる車両用操舵制御装置において、横加速度モデルフォロイング制御あるいはヨーレートモデルフォロイング制御により、横加速度およびヨーレートの何れか一方を望みの特性に制御可能である。
【０００４】
先ず、図１に示す二輪等価モデルを用いて、車両の水平面内における運動を解析する。
【０００５】
車両の重心点ＣＧの横方向の運動方程式と、車両の重心点ＣＧまわりの角運動方程式は、［数１］により与えられる。
【０００６】
【数１】
［数１］における前輪トータル横力Ｆｙｆおよび後輪トータル横力Ｆｙｒは、［数２］により与えられ、また［数１］は［数３］の横加速度ＹＧを用いて更に簡素化される。
【０００８】
【数２】
【数３】
［数１］〜［数３］をラプラス変換し、伝達関数としてまとめると、［数４］および［数５］が得られる。
【００１１】
【数４】
【数５】
［数４］および［数５］中の記号の定義は、［数６］に示される。
【００１４】
【数６】
ところで、ＳＢＷによる車両用操舵制御装置において、例えば車両の旋回性能を向上させる等の観点から、横加速度モデルフォロイング制御を用いて横加速度ＹＧの応答性を高めることができる。
【００１６】
一例として、ドライバーのハンドル操舵角δに対する目標横加速度特性を、［数７］に示す線形一次系とし、この目標を達成（フォロー）する前輪操舵制御則を導く。
【００１７】
【数７】
実際の車両において、前輪舵角δｆに対する横加速度ＹＧの伝達関数は、［数５］から［数８］のように定義される。
【００１９】
【数８】
［数７］および［数８］の定義から、実横加速度ＹＧが目標横加速度ＹＧｍになるような、つまりＹＧ−ＹＧｍ→０となるような目標前輪舵角δｆｍを求めると、［数９］のようになる。
【００２１】
【数９】
［数９］により、例えばセンサで検出した横加速度ＹＧと、センサで検出したドライバーのハンドル操舵角δと、二輪等価モデルとして定義した各係数とから目標前輪舵角δｆｍが求まることになり、例えば、目標横加速度時定数Ｔｍを小さくすることで、横加速度ＹＧの応答性が向上する目標前輪舵角δｆｍを得ることができる。
【００２３】
以上、横加速度モデルフォロイング制御を用いて横加速度ＹＧの応答性を高める場合について説明したが、同様にしてヨーレートモデルフォロイング制御を用いてヨーレートγの応答性を高めることもできる。即ち、横加速度モデルフォロイング制御あるいはヨーレートモデルフォロイング制御を用いることで、望みの横加速度特性あるいはヨーレート特性の何れか一方を得ることができる。
【００２４】
尚、車両のヨーレートを目標ヨーレートに一致させための車両用操舵制御装置が下記特許文献により公知である。
【００２５】
【特許文献】
特許第２８６１５７０号公報
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、［数４］の前輪舵角δｆに対するヨーレートγの伝達関数と、［数５］の前輪舵角δｆに対する横加速度ＹＧの伝達関数とから、ヨーレートγに対する横加速度ＹＧの伝達関数は［数１０］のようになる。
【００２７】
【数１０】
［数１０］から、ヨーレートモデルフォロイング制御でヨーレートγの応答性を向上させても、横加速度ＹＧの応答性を向上できないことが分かる。なぜならば、［数１０］において、ヨーレートγに対する横加速度ＹＧの発生遅れが、車速Ｖの増加に伴って増大することを、ヨーレート時定数Ｔγの存在が示している。
【００２９】
次に、［数４］および［数５］から、横加速度ＹＧに対するヨーレートγの伝達関数は［数１１］のようになる。
【００３０】
【数１１】
［数１１］の分母係数に着目すると、車速Ｖの増加に伴って横加速度時定数１であるＴｙ１の値が減少することから、本伝達関数の特性根、即ち極配置が変化し、ヨーレートγの応答性や減衰性に影響を与えることが分かる。
【００３２】
以下、その理由を更に具体的に説明する。先ず、前輪操舵制御によって横加速度モデルフォロイング制御を行った場合の、ハンドル操舵角δに対するヨーレートγの伝達関数を導く。そのために［数９］の前輪操舵角制御則の横加速度ＹＧに、［数７］の目標横加速度特性の横加速度ＹＧを代入すると［数１２］が得られる。
【００３３】
【数１２】
［数１２］の前輪舵角δｆを［数４］に代入すると、ハンドル操舵角δに対するヨーレートγの伝達関数である［数１３］が得られる。
【００３５】
【数１３】
［数１３］が、線形一次横加速度モデルをフォローするように前輪舵角制御した場合の、ハンドル操舵角δに対するヨーレートγの伝達関数である。
【００３７】
さて、［数１３］の特性方程式である［数１４］に着目する。
【００３８】
【数１４】
ここで、車両の旋回性能を向上させるために、目標横加速度特性の時定数Ｔｍを小さく設定すると、［数１５］から明らかなように、特性方程式である［数１４］の３個の根（極）のうち、実数根（実極）は負の方向に大きくなる。
【００４０】
【数１５】
従って、［数１４］の３個の根の配置（極配置）は、図２の複素平面図に示すようになる。
【００４２】
図２において、時定数Ｔｍを０に近づけていくと、実極は実数軸の無限遠方に向かい、このとき共役複素極Ｒ１，Ｒ２、つまり特性方程式である［数１４］のうち、［数１６］の部分の根がハンドル操舵角δに対するヨーレートγの過渡特性を支配する。
【００４３】
【数１６】
図３は、［数１６］から車速Ｖの増加に対する共役複素極Ｒ１，Ｒ２の軌跡を求めたもので、車速Ｖの増加に伴ってハンドル操舵角δに対するヨーレートγの減衰性が低下することが分かる。
【００４５】
以上のことから、横加速度モデルフォロイング制御により前輪操舵制御を行う場合において、横加速度ＹＧの応答性の向上を狙って時定数Ｔｍを小さく設定しても、ヨーレートγの減衰特性の向上を図れないことになる。
【００４６】
また、逆に横加速度ＹＧの応答性を低下させるように時定数Ｔｍを大きく設定すると、特性方程式である［数１４］のうちの［数１５］の部分の根が図２の複素平面の原点に近づき、その根がハンドル操舵角δに対するヨーレートγの過渡特性を支配する。具体的には、［数１５］の実極が原点に近づくことで、ハンドル操舵角δに対するヨーレートγの過渡特性は、立ち上がりは低下するが減衰性が向上して安定する。
【００４７】
このように、ＳＢＷによる車両用操舵制御装置においては、横加速度モデルフォロイング制御あるいはヨーレートモデルフォロイング制御を行っても、ヨーレートγおよび横加速度ＹＧの過渡的な相互関係は車両固有の諸元に支配されるため、ヨーレートγおよび横加速度ＹＧの両方を所望の特性に制御することができなかった。
【００４８】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、横加速度およびヨーレートの結合制御により、車体横加速度の応答性およびヨーレートの減衰性を両立させることを目的とする。
【００４９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、ハンドル操舵角を検出するハンドル操舵角検出手段と、車速を検出する車速検出手段と、横加速度を検出する横加速度検出手段と、ヨーレートを検出するヨーレート検出手段と、ハンドル操舵角、車速および横加速度に基づいて目標横加速度を得るための前輪舵角を算出する前輪舵角算出手段と、前輪を操舵して前記前輪舵角を発生させる操舵手段と、目標ヨーレート減衰率を得るためのダンピングファクターおよびヨーレートに基づいてヨーモーメントを算出するヨーモーメント算出手段と、車両に前記ヨーモーメントを発生させるヨーモーメント発生手段とを備えたことを特徴とする車両用操舵制御装置が提案される。
【００５０】
上記構成によれば、ハンドル操舵角、車速および横加速度に基づいて目標横加速度を得るための前輪舵角を算出し、この前輪舵角を操舵手段により発生させるとともに、目標ヨーレート減衰率を得るためのダンピングファクターおよびヨーレートに基づいてヨーモーメントを算出し、このヨーモーメントをヨーモーメント発生手段により発生させるので、操舵時にハンドル操舵角に対する横加速度の応答性を高めながらヨーレートの減衰性を高めることができる。
【００５１】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、ヨーモーメント算出手段で算出したヨーモーメントに微分要素および遅れ要素を付加する微分・遅れ手段を備えたことを特徴とする車両用操舵制御装置が提案される。
【００５２】
上記構成によれば、算出したヨーモーメントに微分要素および遅れ要素を付加して操舵過渡状態でのみダンピングが効くようにしたので、操舵後の定常状態においてヨーモーメントおよびそれを打ち消すための前輪舵角制御量を共に減少させて非効率的なタイヤの利用を防止することができる。
【００５３】
尚、実施例の差動制限装置１１およびダイレクトヨーモーメント制御装置１２は本発明のヨーモーメント発生手段に対応し、実施例のステアリングアクチュエータ１３は本発明の操舵手段に対応する。
【００５４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００５５】
図４に示すように、本実施例の車両は左右の車輪Ｗ，Ｗ間に差動制限装置（ＬＳＤ）１１を備える。差動制限装置１１は左右の車輪Ｗ，Ｗに均等に駆動力を配分する差動装置の機能を制限するもので、それにより左右の車輪Ｗ，Ｗの一方の駆動力（制動力）を増加させ、他方の駆動力（制動力）を減少させることができる。この差動制限装置１１により車両の重心点ＣＧまわりにヨーモーメントＭｚを発生させると、［数１］の運動方程式は［数１Ａ］のようになる。
【００５６】
【数１Ａ】
尚、ヨーモーメントＭｚは［数１７］のように、目標ヨーレート減衰率ζγを達成するようなダンピングファクターＤを用いて定義される。
【００５８】
【数１７】
［数７］の目標横加速度ＹＧｍの特性式をフォローさせた場合のハンドル操舵角δに対するヨーレートγの伝達関数が［数１３］で与えられることを既に説明したが、更に［数１３］、［数１Ａ］および［数１７］により、ハンドル操舵角δに対するヨーレートγの伝達関数が［数１３Ａ］で与えられる。この伝達関数が、線型一次横加速度モデルをフォローするように前輪を操舵制御し、更にヨーモーメントＭｚを追加した場合のハンドル操舵角δに対するヨーレートγの伝達関数となる。
【００６０】
【数１３Ａ】
さて、本伝達関数の分母＝０とした下記特性方程式に着目する。
【００６２】
【数１８】
例えば、車両の旋回性能を向上させるために目標横加速度特性の時定数Ｔｍを小さく設定すると、［数１８］の３個の根（＝極）のうちの実数根（＝実極）は負の方向に大きくなり、このとき共約複素極、つまり［数１８］のうちの［数１９］の部分の根が、ハンドル操舵角δに対するヨーレートγの過渡特性を支配する。
【００６４】
【数１９】
従って、［数１７］のヨーモーメントＭｚの追加により、目標ヨーレート減衰率ζγを達成するダンピングファクターＤは、［数１９］から［数２０］のように算出される。
【００６６】
【数２０】
［数２０］のダンピングファクターＤを与えることで、前輪舵角制御による横加速度フォロー（横加速度応答性の改善）に加えて、目標ヨーレート減衰特性ζγを達成することができる。
【００６８】
次に、差動制限装置１１を用いたヨーモーメントＭｚの制御により［数２０］のダンピングファクターＤを与える具体的手法を説明する。
【００６９】
図４において、左右の車輪Ｗ，Ｗの前後スリップ率Ｓは［数２１］で与えられる。
【００７０】
【数２１】
ビスカスカップリングを用いた差動装置において、その粘性抵抗Ｃによる差動制限トルクが左右の車輪Ｗ，Ｗの速度差に比例するとすれば、［数２１］のスリップ率Ｓに比例した左右の車輪Ｗ，Ｗの制駆動力差Ｘに釣り合うため、［数２２］が成立する。
【００７２】
【数２２】
尚、Ｋｓは制駆動力スティフネスである。従って、［数２２］より、左右車軸回転数差Δωが［数２３］で与えられる。
【００７４】
【数２３】
［数２２］および［数２３］により左右の車輪Ｗ，Ｗの制駆動力差Ｘは［数２４］で与えられる。
【００７６】
【数２４】
ヨーレート減衰として働くヨーモーメントＭｚは、［数１７］および［数２４］から［数２５］で与えられる。
【００７８】
【数２５】
差動制限時にビスカスカップリングの粘性抵抗ＣをＣ→∞とすると、［数２５］から差動制限装置１１による最大ヨーモーメントＭｚ ｍａｘ は［数２６］で与えられる。
【００８０】
【数２６】
［数２６］からダンピングファクターＤは［数２７］で与えられる。
【００８２】
【数２７】
［数２７］のダンピングファクターＤが、ビスカスカップリングを備えた差動制限装置１１で差動制限を行うことで発生する最大ヨーモーメントＭｚ ｍａｘ 、つまり最大ヨーレート減衰率ζγ ｍａｘ （限界値）を与える。この最大ヨーレート減衰率ζγ ｍａｘ は、［数２０］に［数２７］を代入することで［数２８］で与えられる。
【００８４】
【数２８】
尚、［数２８］の計算結果は、前輪および後輪を共に差動制限した場合のものである。
【００８６】
前輪操舵制御により目標横加速度（二次遅れ系）フォローし、かつ差動制限装置１１で差動制限を行って最大ヨーレート減衰率ζγ ｍａｘ を与えた場合の計算結果を図６に示す。図５は上記制御を行わない比較例である。図５および図６の何れも、ステップ状のハンドル操舵角δ＝３５°を与えた状態で、車両が１００ｋｍの初速から−０．４Ｇの減速を行った場合ものである。
【００８７】
図５の比較例では、操舵に伴って立ち上がる横加速度ＹＧの応答性に僅かな遅れがあり、ヨーレートγおよび横滑り角βは発散している。それに対して、図６の実施例では、ステアリングアクチュエータ１３（図１参照）による前輪舵角制御量δａおよび差動制限装置１１によるヨーモーメントＭｚを発生させることで、操舵に伴う横加速度ＹＧの立ち上がりの応答性が高まり、かつヨーレートγは発散せずに一定値に収束し、横滑り角βも０に収束していることが分かる。
【００８８】
ところで、差動制限装置１１では発生可能なヨーモーメントＭｚに限界があるが、エンジンの駆動力を左右の車輪Ｗ，Ｗに任意の比率で配分するダイレクトヨーモーメント制御装置１２（図４参照）を用いることで、任意の大きさのヨーモーメントＭｚを発生させることができる。
【００８９】
［数２０］において目標ヨーレート減衰率ζγを大きく設定するとダンピングファクターＤが大きくなるため、［数１７］から操舵完了後の定常旋回時のヨーモーメントＭｚが増大する。即ち、図６および図７を比較すると明らかなように、目標ヨーレート減衰率ζγを大きく設定した図７の方が、定常旋回時のヨーモーメントＭｚが増大する。尚、この大きなヨーモーメントＭｚはダイレクトヨーモーメント制御装置１２により発生可能である。
【００９０】
このことは、あるカーブを通過する際にヨーモーメントＭｚが増大した結果、それを打ち消すための前輪操舵制御量δａが増大することを意味し、非効率的なタイヤの利用となる。これを防止するために、［数１７］に微分要素および遅れ要素を追加した［数１７Ａ］に基づき、操舵過渡状態でのみダンピングが効くように制御する。
【００９１】
【数１７Ａ】
図８には微分要素および遅れ要素を追加した［数１７Ａ］に基づく制御の計算結果が示されており、これを前記図７と比較すると明らかなように、操舵が完了した後の定常旋回時におけるヨーモーメントＭｚが減少し、それに応じて前輪舵角制御量δａが速やかに減少して０に収束していることが分かる。
【００９３】
図９には車両用操舵制御装置の制御系のブロック図が示される。車両用操舵制御装置は前輪舵角算出手段１４と、ヨーモーメント算出手段１５と、微分・遅れ手段１６とを備えており、ハンドル操舵角検出手段Ｓ１で検出したハンドル操舵角δと、車速検出手段Ｓ２で検出した車速Ｖと、横加速度検出手段Ｓ３で検出した横加速度ＹＧとが前輪舵角算出手段１４に入力され、前輪舵角算出手段１４で算出した前輪舵角δｆが得られるように車両のステアリングアクチュエータ１３の作動が制御される。またヨーレート検出手段Ｓ４で検出したヨーレートγが入力されるヨーモーメント算出手段１５は、ヨーレートγおよびダンピングファクターＤからヨーモーメントＭｚを算出し、それに微分・遅れ手段１６で微分・遅れ要素を付加したヨーモーメントＭｚが得られるように、差動制限装置１１あるいはダイレクトヨーモーメント制御装置１２の作動が制御される。
【００９４】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００９５】
例えば、実施例ではＳＢＷによる車両用操舵制御装置を例示したが、本発明はマニュアル操舵装置に電動パワーステアリング装置を付加したものにも適用することができる。この場合、図９に示すように、ハンドル操舵角δにステアリングギヤ比を乗算したものを前輪舵角算出手段１４が出力する前輪舵角δｆから減算すれば、同様の作用効果を得ることができる。
【００９６】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、ハンドル操舵角、車速および横加速度に基づいて目標横加速度を得るための前輪舵角を算出し、この前輪舵角を操舵手段により発生させるとともに、目標ヨーレート減衰率を得るためのダンピングファクターおよびヨーレートに基づいてヨーモーメントを算出し、このヨーモーメントをヨーモーメント発生手段により発生させるので、操舵時にハンドル操舵角に対する横加速度の応答性を高めながらヨーレートの減衰性を高めることができる。
【００９７】
また請求項２に記載された発明によれば、算出したヨーモーメントに微分要素および遅れ要素を付加して操舵過渡状態でのみダンピングが効くようにしたので、操舵後の定常状態においてヨーモーメントおよびそれを打ち消すための前輪舵角制御量を共に減少させて非効率的なタイヤの利用を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】四輪車の二輪等価モデルを示す図
【図２】［数１４］の特性方程式の３個の根を示す複素平面図
【図３】車速の増加に伴う共役複素極の軌跡を示す複素平面図
【図４】差動制限装置の機能を説明する図
【図５】ヨーモーメント制御を行わない場合の計算結果を示すグラフ
【図６】ヨーモーメント制御を行った場合の計算結果を示すグラフ（差動制限装置を使用した場合）
【図７】ヨーモーメント制御を行った場合の計算結果を示すグラフ（ダイレクトヨーモーメント制御装置を使用した場合）
【図８】ヨーモーメント制御を行った場合の計算結果を示すグラフ（ダイレクトヨーモーメント制御装置を使用し、かつ微分・遅れ制御を実行した場合）
【図９】車両用操舵制御装置の制御系のブロック図
【符号の説明】
１１ 差動制限装置（ヨーモーメント発生手段）
１２ ダイレクトヨーモーメント制御装置（ヨーモーメント発生手段）
１３ ステアリングアクチュエータ（操舵手段）
１４ 前輪舵角算出手段
１５ ヨーモーメント算出手段
１６ 微分・遅れ手段
Ｄ ダンピングファクター
Ｍｚ ヨーモーメント
Ｓ１ ハンドル操舵角検出手段
Ｓ２ 車速検出手段
Ｓ３ 横加速度検出手段
Ｓ４ ヨーレート検出手段
Ｖ 車速
ＹＧ 横加速度
ＹＧｍ 目標横加速度
ζγ 目標ヨーレート減衰率
γ ヨーレート
δ ハンドル操舵角
δｆ 前輪舵角
Claims (2)
- ハンドル操舵角（δ）を検出するハンドル操舵角検出手段（Ｓ１）と、
車速（Ｖ）を検出する車速検出手段（Ｓ２）と、
横加速度（ＹＧ）を検出する横加速度検出手段（Ｓ３）と、
ヨーレート（γ）を検出するヨーレート検出手段（Ｓ４）と、
ハンドル操舵角（δ）、車速（Ｖ）および横加速度（ＹＧ）に基づいて目標横加速度（ＹＧｍ）を得るための前輪舵角（δｆ）を算出する前輪舵角算出手段（１４）と、
前輪を操舵して前記前輪舵角（δｆ）を発生させる操舵手段（１３）と、
目標ヨーレート減衰率（ζγ）を得るためのダンピングファクター（Ｄ）およびヨーレート（γ）に基づいてヨーモーメント（Ｍｚ）を算出するヨーモーメント算出手段（１５）と、
車両に前記ヨーモーメント（Ｍｚ）を発生させるヨーモーメント発生手段（１１，１２）と、
を備えたことを特徴とする車両用操舵制御装置。 - ヨーモーメント算出手段（１５）で算出したヨーモーメント（Ｍｚ）に微分要素および遅れ要素を付加する微分・遅れ手段（１６）を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の車両用操舵制御装置。
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