JP2004520226A - 路上走行車両用の触覚制御装置 - Google Patents
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Abstract
電動式路上走行車両用の電気式補力操舵システムが、運転者の操舵力を軽減するために、運転者が加えるトルクと検知した車両速度に応答して操舵システムのために補助トルクを生成する補助トルク信号生成手段を有する。車両のレート誤差に基づき、トルク補助信号に追加されるように構成されているヨーレート触覚トルクは、ヨーレート誤差が車両の操舵不安定（例えば、アンダステアまたはオーバステア）の増大に対応して増加するとき、このトルク補助信号に追加された触覚トルクが、少しでも実際に車両安定が失われる前に運転者が感じる有効な道路の反作用フィードバックを低減し、それによって運転者が最終的な操舵不安定に至る前に適切な時点で適正に修正することができるように生成される。別法として、トルク補助信号から減じられるように構成されている触覚トルクが、横加速度に基づいて、車両の横加速度が車両のコーナリングがきつくなるのに対応して増加するとき、トルク補助信号から減じられた触覚トルクが、車両のタイヤによって生成されるコーナリング力の増加に対応して運転者が感じる有効な道路の反作用フィードバックを増加させることができる。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動式路上走行車両における電気式補力操舵システム（ＥＡＳ）に関し、特にヨーレートまたは横加速度などの測定された車両動力学的特性に基づいて操舵トルク補償または触覚トルクを提供するようになされた、路上走行車両における制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気式補力操舵システムは当業ではよく知られている。例えば、ラックアンドピニオンギヤのセットを使用して操舵コラムを操舵車軸に連結する電気補力操舵システムは、電気モータを使用して、ピニオンギヤに連結する操舵軸に回転力を加えるか、またはラック歯を有する操舵部材に直線力を加えることによって動力を補助する。このようなシステムにおける電気モータを（ａ）運転者が車両のステアリングホイールに加えるトルクと（ｂ）検知された車両速度とに応答して制御するのが典型である。
【０００３】
他の知られている電気式補力操舵システムは、少なくとも一部が電気的または電子的制御システムの制御下にある油圧手段によって動力を補助される電気油圧システムを含む。
【０００４】
自動車市場の少なくとも幾つかの分野では、ステアリングホイールを介して車両の動的状態に関する情報を運転者に提供しようとする要望がある。最も一般的な効果は、車両に対する横加速度が増加するときの運転者トルクの増加（ハンドルが重くなったように思われる）と、車両が最終アンダステアに達するときの運転者トルクの急激な低下（ハンドルが一段と軽くなったように思われる）である。（最終アンダステアは、ハンドル角が増加しても車両のヨーレートはそれ以上増加しない時点であると考えられる。）従来は、操舵システムを慎重に設計することによって、これらの効果を生成してきたが、現代の動力補助操舵システムと操舵システム設計上のスペースと他の仲介物によって、このような効果がはるかに目立たなくなってきている。しかし、これらの効果によって車両の操縦性が向上するために、幾つかの市場分野では、そのような効果はかなり重要なものになり得ると一般に認知されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の１つの目的は、運転者が操舵システムから受け取る触覚情報を改良することおよび車両に既存の車両の動的状態に関する情報を使用してアルゴリズムを提供し上記の操舵感覚特性を人工的に再生することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、その最も広い範囲では、動的状態に関する情報を操舵感覚から収集できる方式で、動作センサからの信号を使用して補力操舵システムによって供給される補助トルクを調節する制御アルゴリズムに関する。１つの実施形態では、このアルゴリズムは、横加速度に比例して運転者が感じる運転者（ハンドル）トルクの増加を再生し、また別の実施形態では、車両が最終アンダステアに入るとき運転者トルクの減少を再生する。
【０００７】
本発明の第１の態様に従って電動式路上走行車両に補力操舵システムが提供されるが、このシステムは、運転者が加えるトルクと検知した車両速度に応答して操舵システムのために補助トルク信号を生成して運転者の操舵力を軽減するのに効果的に構成されている補助トルク信号生成手段と、トルク補助信号に追加するように構成されている触覚トルクを車両ヨーレート誤差に基づいて生成する手段であって、このヨーレート誤差が車両の操舵不安定の増大に対応して増加するとき、このトルク補助信号に追加された触覚トルクが、少しでも実際に車両安定が失われる前に、運転者が感じる有効な道路の反作用フィードバックを低減し、それによって最終的な操舵不安定に至る前に運転者が適切な時点で適正に修正することができるように触覚トルクを生成する手段とを具備する。
【０００８】
このようなシステムは、運転者の注意を操舵不安定状態（例えば、アンダステアまたはオーバステア）に向ける利点を有する。
【０００９】
補助トルク信号生成手段は電気モータを備えることが好ましい。
【００１０】
ヨーレート誤差は、操舵角と車両縦速度の測定値から導かれた推定ヨーレートを測定された車両ヨーレートと比較することによって確立することができる。
【００１１】
ヨーレート誤差は、必要ならば過剰の要求を阻止するために飽和され、ゲインマップによってスケーリングされることが好ましい。
【００１２】
ゲインは、パワーステアリングからの補助トルクを増加させて運転者に対して操舵感覚を軽くするために、小さいヨーレート誤差によって相対的に小さいゲインが生じかつ大きいヨーレート誤差によって相対的に大きいゲインが生じるように、ヨーレート誤差に従って制御されることが好ましい。
【００１３】
幾つかの実施形態では、複数のゲインマップが備わり、優勢な状態に適合するのに最も適切なマップが、測定されたヨーレート誤差およびコラムトルクなどの測定データに基づく路面状態の評価から自動的に選択されるように構成されている。
【００１４】
触覚トルクは、スケーリングされたヨーレート誤差を使用して操舵コラムトルクをスケーリングすることによって確立されることが好ましく、この触覚トルクは、電気モータを駆動するための出力を供給するトルク補助に追加される。
【００１５】
動的ヨーレート誤差信号は動的ヨーレート推定から導かれる；関数的に均等な横加速度誤差信号もまた均等な動的横加速度推定器から導かれる。
【００１６】
したがって、本発明の第２の態様に従って電動式車両用の補力操舵システムが提供されるが、このシステムは、運転者が加えるトルクと検知した車両速度に応答して操舵システムのために補助トルク信号を生成して運転者の操舵力を軽減するのに効果的に構成されている補助トルク信号生成手段と、トルク補助信号から減じられるように構成されている触覚トルクを車両横加速度に基づいて生成する手段であって、車両横加速度が車両のコーナリングがきつくなるのに対応して増加するとき、このトルク補助信号から減じられた触覚トルクが、車両のタイヤによって生成されるコーナリング力の増加に対応して、運転者が感じる有効な道路の反作用フィードバックを増加させるように触覚トルクを生成する手段とを具備する。
【００１７】
このような第２の態様の構成によって、制御装置をさらに調整してアンダステア点までより重い操舵感覚を与え、一旦切迫したアンダステアが確定してしまうと次にコラムトルクを低下させることができる。
【００１８】
本発明の第３の態様に従って電動式路上走行車両用の補力操縦システムが提供されるが、このシステムは、運転者が加えるトルクと検知した車両速度に応答して操舵システムのために補助トルク信号を生成して運転者の操舵力を軽減するのに効果的に構成されている補助トルク信号生成手段と、トルク補助信号に追加するように構成されている触覚トルクを車両横加速度誤差に基づいて生成する手段であって、この横加速度誤差が車両の操舵不安定の増大に対応して増加するとき、このトルク補助信号に追加された触覚トルクが、少しでも実際に車両安定が失われる前に、運転者が感じる有効な道路の反作用フィードバックを低減し、それによって最終的な操舵不安定に至る前に運転者が適切な時点で適正に修正することができるように触覚トルクを生成する手段とを具備する。
【００１９】
本発明の第４の態様に従って電動式路上走行車両用の補力操縦システムが提供されるが、このシステムは、運転者が加えるトルクと検知した車両速度に応答して操舵システムのために補助トルク信号を生成して運転者の操舵力を軽減するのに効果的に構成されている補助トルク信号生成手段と、トルク補助信号に追加されるように構成されている触覚トルクを（ａ）車両ヨーレート誤差または（ｂ）横加速度誤差に基づいて生成する手段であって、前記誤差が車両の操舵不安定の増大に対応して増加するとき、このトルク補助信号に追加された触覚トルクが、少しでも実際に車両安定が失われる前に、運転者が感じる有効な道路の反作用フィードバックを低減し、それによって最終的な操舵不安定に至る前に運転者が適切な時点で適正に修正することができるように触覚トルクを生成する手段とを具備する。
【００２０】
したがって、第４の態様の場合、この全体的な制御方法は、その方法の前処理部分が制御入力としてヨーレートまたは横加速度を随意選択的に採用することを除けば、触覚トルクを提供することに関しては同じであり、また横加速度の使用によって切迫したアンダステア点まで触覚トルクを与えることにおいてさらなる利点を追加的に提供する。
【００２１】
本発明を以下に図面を参照して例としてのみ説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１を参照すると、車両の運転者が要求するヨーレートの推定値を確立する要素１０に車両操舵角と縦速度が入力される。このヨーレートの推定は、例えば、次のように表される定常状態アンダステアの方程式に基づく。
【００２３】
【数１】
【００２４】
ここでＶxは車両縦速度であり、ｌはホイールベースであり、Ｖchは車両固有の速度であり、δSWはハンドル角であり、ＧSは車輪からハンドルまでの操舵システムのゲインである。次いで、この推定値は一次低域フィルタを通過し、調整されて車両に推定値類似ラグを与える。このフィルタにおいて区切点を慎重に選択することによって、操舵権限の喪失に関連して操舵が軽くなる点が制御可能になる。
【００２５】
得られる推定ヨーレートは、車両安定制御装置（ＶＳＣ）または同様のセンサによって測定した実際の車両ヨーレートを表す信号と１２で比較され、ライン１４に対してヨーレート誤差信号を生成する。次いで、このヨーレート誤差は、過剰な要求を防止するために１６で飽和され、ゲインマップ１８によってスケーリングされる。
【００２６】
飽和ブロック１６は、ヨーレート誤差が過剰に高い水準に達するのを防止する。このヨー誤差を過剰に増加させると、それによってＥＡＳシステムにおける不安定性を励起する恐れがあることが経験から明らかになっている。これは車両に装着したＥＡＳシステムの特定の性質にある程度左右される場合があるが、誤差が生じると、同様に飽和によってシステムが過剰なトルクを生成するのを防止する。車両の走行路面に応じて、このような飽和値を時々調整することが必要になろう。可能性としては、コラムトルクおよびヨーレート誤差をルックアップ表へのインデックスとして使用することである。
【００２７】
１８におけるゲインはヨーレート誤差に従って変化する。小さいヨーレート誤差は、上で言及した線形レジームを示し、そこでは車両が一定の前進速度で運転されておりかつ最終アンダステアに達しておらず、したがって小さいゲインが必要である。他方で、大きいヨーレート誤差は過剰なアンダステアを表し、したがってパワーステアリングからの補助トルクを増大させて操舵感覚を軽くするために大きいゲインが必要である。
【００２８】
ライン２０における触覚トルクの確立は、ゲインマップ１８からのスケーリングされたヨーレート誤差信号を使用して、パワーステアリングにおける不安定モードの励起を防止するために２２で低域フィルタにかけたコラムトルク（Ｔコラム）を２８でスケーリングすることによって行う。コラムトルクに追加するのではなく、コラムトルクを２８でスケーリングすることによって、制御装置が運転者の意思に反して操舵システムを駆動しようとする恐れがある領域に入らないように、この制御装置を防止する。このような方式で、一貫した操舵の自動調心を維持する。運転者がステアリングホイールを解放すれば、コラムトルクがゼロになり、また触覚トルクもゼロになる。
【００２９】
したがって制御装置からの出力は、２８でコラムトルク（Ｔコラム）をゲインマップ１８からの出力と掛け合わせることによって決定される。以上に説明したように、コラムトルクは、ここでもＥＡＳの不安定モードの励起を防止するために２２で低域フィルタにかけられる。このフィルタ２２を慎重に設計すると、安定性の保証と飽和要素１６の除去が可能であることが分かる。次いで、２８において掛け合わせた結果をパワーステアリング制御装置で生成された補助トルク（Ｔ補助）に追加して、パワーステアリング（ＥＡＳ）モータに供給する。
【００３０】
図１の「Ａｂ」ブロック２４および２６は、入力信号の絶対的な値すなわち絶対値を取得するために備わる。
【００３１】
図１の配置におけるヨーレート誤差は、制御装置からの最終出力を確立する際に１８においてゲインマップによってスケーリングされる。このゲイン値は、ヨーレート誤差の値に依存し、また車両が走行する路面の特徴、すなわち、ハイミューまたはローミューにも左右される。
【００３２】
使用可能な制御装置ゲインマップの一例を図２に示す。小さいヨーレート誤差では、スケーリングが負であり、したがって補助トルクを減少させて操舵感覚をわずかに重くする。この目的は、ハンドル角と共に増加するトルクを生成することにある。大きいヨーレート誤差では、そのゲインがはるかに大きくなり、補助トルクを大幅に増大させてハンドル感覚を軽くさせる大きな正の出力を与える。これらのマップの形状は、操舵システムにおける所望の感覚を生成するために変化させることができる。
【００３３】
単一のマップを使用できるが、複数のマップが利用可能であることが好ましく、そのうちで優勢な環境に適合するのに最も適切なマップは、例えば、測定したヨーモーメント誤差およびコラムトルク、またはタイヤスリップもしくはビデオ検出ルーチンに基づく路面状況の評価から自動的に選択可能である。
【００３４】
運転者が受け取る触覚情報を２通りの方法で操舵コラムのトルクを変更することによって上記システムで改善する。一定前進速度のほぼ線形動作領域および最終アンダステアに達する前では、操舵コラムのトルクが、ハンドル角が増加するにつれて次第に増加する。これによって、ハンドルを介して運転者に車両に対する横加速度を触覚的に知らせる。最終アンダステアに達してハンドル角を追加しても車両ヨーレートが増加しなくなるとき、操舵コラムのトルクが大きく減少する。これによってハンドルが非常に軽くなり、牽引力の限界に達したことを運転者に知らせる。制御装置を調整することによって、実際に牽引力を喪失する少し前に、このようなトルク低下を発生させて操舵権限を喪失する前に短時間であるが使用可能な応答時間を運転者に与えることができる。
【００３５】
従来のパワーステアリングシステムは、運転者が加えるトルクを限度内に制御しようとするものである。これでは、上記の触覚特性がまったく失われ、車両の動的状態に伴うトルク変化がほとんどまたはまったく生じないシステムに容易に陥る恐れがある。操舵系の幾何学的配置の設計もまた操舵感覚に対して重大な影響を及ぼす。この幾何学的配置が、操舵トルクを増加させないか、または一旦限度に達するとトルクが低下するようなものであれば、簡単なパワーステアリングシステムではそのような感覚を取り戻すことができないことになる。本システムは、運転者の要求するヨーレートの大きさと車両の実際のヨーレートを考慮して、操舵システムにあるべきトルクの大きさを決定する。次いで、それに応じてパワーステアリングシステムによって生成される補助トルクを調節する。したがって、提案されているシステムは、パワーステアリングシステムと操舵系の幾何学的配置に依存しない操舵感覚を生成する。
【００３６】
図３を参照すると、図１に例示した本発明の第１態様の別の発展形態が示してあり、本質的に図１の定常状態の制御装置の導関数であり、ヨーレートの推定に基づいて動的なアンダステア触覚トルクを提供する。図３の制御装置では、第１態様におけるように、操舵角と縦速度をここでも利用しており、この場合はヨーレートであるが、動的構成要素をさらに含む。得られる出力はヨーレート誤差を供給するが、その誤差は、運転者トルクに対して修正またはスケーリングされるとき、補力システムによって生成される補力トルクに追加するための、随意選択的に制限される触覚トルクを提供する。
【００３７】
次に図４を参照すると、図３に類似する１つの代替発展形態が示してあるが、ヨーレートの代わりに横加速度が使われており、それによって横加速度の推定に基づく動的なアンダステア触覚トルクを提供する。図４の制御装置では、操舵角と縦速度をここでも利用するが、ヨーレートの代わりに横加速度の他の動的構成要素を含む。得られる出力は横加速度誤差を供給するが、その誤差は、運転者トルクに対して修正またはスケーリングされるとき、補力システムによって生成される補力トルクに追加するための、随意選択的に制限される触覚トルクを提供する。
【００３８】
図５は、横加速度（したがってコーナリング力）が切迫したアンダステア点まで増加するとき触覚応答を与えるように横加速度に基づいてトルク変更が行われるのを示す。
【００３９】
図６は、図１、３または４の配置のいずれかに基づいて触覚トルクを提供する配置を示し、図５に示したように横加速度フィードバックを含む。これは、横加速度に基づく触覚トルクを使用して切迫アンダステア点まで動的応答を提供することが可能であり、さらにヨーレートまたは横加速度などの動的関数をさらに追加して、切迫アンダステア点で追加的な応答を提供することができる全システムを例示する。
【００４０】
図７の実施形態では、動的関数がヨーレートであり、したがって動的誤差はヨーレート誤差である。ヨーレート推定器３０は、車両状態情報を使用して車両が線形であるという想定に基づいて運転者が要求しているヨーレートを算出する。次いで、これをアンダステア制御３２に送り、その制御では操舵システムによって生成された補助トルクに対する修正値を算出する。さらに、横加速度ブロック３４は、横加速度信号を使用して別個のトルク修正信号を算出する。３６におけるこれら２つの修正信号の間の差が、３８で操舵システム補助トルクに追加される触覚（感覚）トルクになる。
【００４１】
ヨーレート推定器と逆走行検出
車両のヨーレートまたは横加速度を推定することができる方法が幾つかある。定常状態の推定が最も単純であるが、低車速では信頼性がないことが分かっている。動的推定はより複雑であるが、今日まで、克服できないほどの問題に遭遇してはいない。最終的な解決策は、ＶＳＣ内部からの情報を使用することである。他の１つの可能性のある解決策は、前段で説明したように、ヨーレートの代わりに横加速度を使用することである。ヨーレートまたは横加速度が推定されているとき、同時に車両が逆走行していないかどうかを検出するためのチェックがなされる。車両が逆走行している場合は、ヨーレート誤差または横加速度誤差がゼロに設定される。これによって、車両の逆走行時にアンダステア制御装置が、運転者を混乱させる恐れがある操舵感覚に影響を及ぼさないようにする。ヨーレート推定と逆走行検出を図８に例示する。
【００４２】
ヨーレート推定器／定常状態推定
本明細書で先に説明したように、ヨーレート推定は定常状態アンダステアの方程式に準拠可能である。
【００４３】
【数２】
【００４４】
ここでＶxは車両縦速度であり、ｌはホイールベースであり、Ｖchは車両に固有の速度であり、δSWはハンドル角であり、ＧSは車輪からハンドルまでの操舵システムのゲインである。次いで、この推定値は一次低域フィルタを通過し、調整されて車両に推定値類似ラグを与える。このフィルタにおいて区切点を慎重に選択することによって、操舵権限の喪失に関連して操舵が軽くなる点が制御可能になる。
【００４５】
この方法に関する経験から幾つかの望ましくない特性が浮き彫りになった。この推定器は低速で破綻し、非常に望ましくない「駐車」型動作で制御装置を起動させる。また推定器の動作も速度変化に伴う車両動作の変化を反映しない。
【００４６】
動的ヨーレート推定器
ヨーレート推定器は、ヨーレートフィードバックを備える２輪車モデルに基づくフルオーダ観測器を使用して改良することができる。図９を参照されたい。この２輪車モデルは次のように記述される。
【００４７】
【数３】
【００４８】
推定器の閉ループ形は次のように記述される。
【００４９】
【数４】
【００５０】
Ｇは推定器の極を開ループモデルよりも１０倍速い位置に配置するように選択されている。これは、車両の実際のヨーレートを推定器で使用して車両のヨーレートを決定するので、最初は不必要に思われる。低ヨーレートでは、推定値と測定値が一致することになるのは事実である。しかし、推定器は完全な線形モデルに準拠するが、そのモデルは、アンダステアが増大していくとき車両がより非線形になるにつれて正確度が低下していく。したがって、車両がアンダステアになり始めるとき、これらの推定値と実際のヨーレートが乖離し始めて補助トルク値を変化させるために使用する誤差が生じる。したがって、ヨーレートフィードバックを使用すると、推定器の妨害感受性が減少して速度に伴って動的特性が変化する。
【００５１】
推定器は、追加的なフィードバック信号として横加速度を使用することによってさらに改良可能であるが、推定器はパラメータ変化に対して頑強であることが実験でも明らかになっている。
【００５２】
横加速度推定
図１０は図９に対応する図であるが、推定器が横加速度推定器ブロックである場合を例示する。制御器は、ヨーレート推定器に関するものと実質的に同じであるが、下の横加速度方程式からの項目Ｄ’が追加されている。
【００５３】
このシステムは動的推定器に関するものと同じであるが、ただ観測器への入力が操舵角と横加速度（ヨーレートではなく）あり、出力が横加速度の推定値、すなわち、方程式４である。この推定横加速度を実際の横加速度から減ずることによって、図１の第１実施形態のヨーレート誤差信号と同じ方法で使用可能な誤差信号を生成する。
【００５４】
【数５】
【００５５】
横加速度観測器に関する状態方程式は次式によって与えられる。
【００５６】
【数６】
【００５７】
逆走行検出
好ましい逆走行検出アルゴリズムを図１１に示す。ヨーレートが不感帯にあるかまたはそれらが異なる符号を有するとき、逆走行フラッグがゼロであり、車両が逆走行していることを示す。これらの不感帯４０、４２は、ヨーレート信号に対するノイズの効果を制限する。それらの不感帯は、静止車両に関して、ヨーレートに対するノイズが不感帯を超えないように設定されている。信号が不感帯にある間は、ブロックの出力はゼロである。符号ブロック４４、４６は入力信号の符号を取得する。入力信号がゼロの場合はその符号値もゼロであり、そうではなく入力が正であればその符号値が正であるか、あるいは入力信号が負であればその符号値はマイナス１である。飽和４８は、入力が１以上であれば、出力は１であるように設定される。入力がゼロ以下であれば、出力はゼロである。これによって逆走行フラッグは０または１に制限される。逆走行検出は、推定横加速度と実際の横加速度を比較することによっても同じく適切に実現可能である。
【００５８】
ヨーレート誤差、すなわち、運転者が要求しているヨーレートと車両の実際のヨーレートの間の差は、５０において、図８に示す推定ヨーレートから車両の実際のヨーレートを減ずることによって知ることができる。
【００５９】
運転者トルク制限ブロックによって運転者トルクの値を既定の水準に制限する。アンダステア制御によってシステムに導入されるトルク量は運転者トルクに比例するので、運転者トルクを制限すると、システムが導入できるトルク量が効果的に制限される。
【００６０】
アンダステア制御
アンダステア制御は、図１２に示すように幾つかのセクションを含む。スケーリングマップ５２へのヨーレート誤差によって操舵感覚を制御すると共に、トルク制御５４によって、パワーステアリングからの補助トルクを打ち消し、さらに運転者が加えるトルクを反転さえして、過剰なアンダステアトルクを防止する。ここでも、図１２の制御構造は横加速度誤差の推定値に基づいてアンダステアトルクを同じく適切に生成することができる。
【００６１】
スケーリングマップへのヨーレート誤差
ヨーレート誤差をルックアップ表へのインデックス入力として使用する。このルックアップの出力は運転者トルクのスケーリングである。ルックアップ表の要素は、図１３に示すように、小さいヨーレート誤差に関して小さく、大きいヨーレート誤差に関して大きい（運転者トルクのスケーリングルックアップ表へのヨーレート誤差）。ここでも、図１３の原理を横加速度誤差に同様に適用可能である。
【００６２】
ルックアップ表における要素を変更することによって、制御装置の効果を異なる車両に合わせて調整可能であり、異なる動作を与えることができる。小さいヨーレート誤差で大きな要素から小さい要素への移行を引き起こすことによって、車両が最終アンダステアに達するかなり前に操舵感覚を軽くすることができる。最初にトルクスケーリングゲインがわずかに負になると、小さいヨーレートで操舵をより重く感じさせることができる。これは横加速度に比例して運転者トルクが増加するのに非常に似ている。
【００６３】
トルク制御
アンダステア制御装置は、パワーステアリングシステムによって生成される補助トルクよりも大きいトルクを生成することができる。これが起こると、運転者が感じるトルクが反転することになる。これは不安感と混乱ばかりでなく、運転者がその手を離したとき、操舵が真っ直ぐ前方に戻るのではなくさらにロック状態に巻き込む恐れがある。このようなトルクの反転を防止するために、図１４に示すアルゴリズム（トルク制御セクションのブロック図）を構成した。これは、実際の運転者トルクをトルク閾値と５６で比較して、０と１の間でスケーリングを生成することによって実現される既定トルク閾値よりも上に運転者トルクを維持しようとするものである。このスケーリングをアンダステア制御装置の出力に適用することによって、アンダステア制御装置の効果を制御することができる。
【００６４】
このアルゴリズムをスケーリング修正値が図１５に示す形状によって生成されるように設計するが、ここでＴ閾値は運転者トルクがそれ以下に低下するべきではないトルク値であり、ｋ調整は調整ゲイン値である。
【００６５】
スケーリング修正は３つの段階を有する。第１段階では、運転者トルクが非常に小さく、トルク反転を防止するためにアンダステア制御装置の効果を迅速に制限することが必須である。これは、スケーリング修正をゼロに設定し、それによってアンダステア制御装置の効果を無効にすることによって実現する。これは事実上不感帯であり、トルクセンサからのノイズを処理する際に有用である。第２段階は、何らかの設計点とトルク閾値の間にある。このセクションでは、トルク制御装置からの出力が０から１まで線形に傾斜してアンダステア制御装置を円滑に制御する。最後のセクションは、運転者トルクがトルク閾値を上回るところである。このスケーリング修正は１であり、したがってアンダステア制御装置出力に対して何も効果を及ぼさない。
【００６６】
トルク閾値
このブロック５８は、運転者トルクが下回らないことが望ましい水準に等しい定数である。十分な値は１Ｎｍであることが分かっている。
【００６７】
ＭＡＸ
ＭＡＸブロック６０、６２は、それらの２つの入力最大値を取得するだけである。両方の場合とも、それらは、負のスケーリング修正を引き起こす恐れのあるゼロを入力が下回るのを防止する。そのような負のスケーリング修正は運転者にトルク反転をもたらし、それは運転者を混乱させることになるので非常に望ましくない。
【００６８】
調整ゲインおよびフィルタ
調整ゲインおよびフィルタブロック６４は、運転者トルク信号を平滑化して、切換の少ないより円滑な制御を行う。調整ゲインを使用して次式によって説明される不感帯のサイズを制御する。
【００６９】
【数７】
【００７０】
横加速度制御
横加速度感覚制御、すなわち、図１６は、車両の横加速度に比例して操舵システムにおけるトルクが増加するように設計されている。
【００７１】
横加速度補償（６６）
横加速度センサによって供給された横加速度値は、補償アルゴリズムを通過する。これはノイズを除去するための単なるフィルタであるか、または横加速度センサ位置に関する修正の場合がある。前車軸における横加速度を使用すると最良の結果が得られる。センサをその位置に配置することが見込めないとき、補償要素を使用して、横加速度の測定値を測定することが好ましい前輪間の中間位置からセンサが物理的に変位する分を補償することができる。
【００７２】
ＡＢＳ（６８）
ＡＢＳブロックは絶対値を取得するだけであり、それによってスケーリングが常に正であり、また横加速度トルクが常に運転トルクと同じ符号を有することが保証される。もし相対符号が変化することになったら、操舵感覚が混乱することになろう。
【００７３】
ルックアップ表（７０）
その横加速度に適用されるゲインは速度に依存し、かつルックアップ表において決定される。低速ではゲインはゼロであり、時速約１０と４０ｋｍの間では、ゲインがピーク値に上昇し、さらにそれ以上の速度ではいずれもそのピーク値に留まる。典型的なゲインのピーク値は約０．３である。
【００７４】
触覚トルク制限
これは、触覚トルクが既定の制限値を超過するのを防止する飽和である。その触覚トルクがこれらの制限値を超過することがあれば、それを制限値に保持するだけである。
【００７５】
触覚制御装置の好ましい形態の主要な特徴を次のように要約することができる。
【００７６】
アンダステアのトルク変化を人工的に導入することができる。
【００７７】
車両がアンダステアにあるとき、運転者トルクの低下が不十分であるように操舵システムが設計されているなら、車両の他のセンサからの情報を使用してトルク低下を追加することができる。
【００７８】
横加速度に比例するトルクの増加を人工的に導入することができる。
【００７９】
横加速度に比例する運転者トルクの増加が不十分であるように操舵システムが設計されているなら、車両の他のセンサからの情報を使用してトルク増加を追加することができる。
【００８０】
加わるトルクが運転者トルクに比例する。
【００８１】
制御装置によって加えられるトルクを運転者トルクに比例させることによって、受動的な車両動作を維持する。運転者がその手をハンドルから離すと、運転者トルクはゼロになり、触覚的な制御装置トルクもゼロになってハンドルが自動調心する。
【００８２】
アンダステア制御の適用点は完全に調整可能である。
【００８３】
操舵が軽くなる点を車両から切り離すことができる。したがって、最終アンダステアの少し前に操舵を軽くすることが可能であり、それによって事前に運転者に牽引力喪失の警告を与える。
【００８４】
アンダステアにおけるトルク低下量が調整可能である。
【００８５】
アンダステアにおいてトルクが低下する量はソフトウェア上で調整可能である。したがって、車両に適合するトルク低下特徴を有する操舵システムを創出することが簡単である。
【００８６】
横加速度のトルク増加量が調整可能である。
【００８７】
横加速度に比例してトルクが増加する量はソフトウェア上で調整可能である。したがって、車両に適合するトルク低下特徴を有する操舵システムを創出することは、速度と一緒にその特徴をマッピングして適切な低速度特徴を付与することを含めて簡単である。
【００８８】
ヨーレートの代わりに横加速度が使用可能である。
【００８９】
ヨーレート信号を横加速度信号の代わりに使用可能であり、システムは、推定器の方程式に幾つかの変更を加えるだけで同じように機能する。これは、横加速度のコストがヨーレートセンサよりもはるかに小さいので利点がある。
【００９０】
逆走行時にアルゴリズムは操舵感覚に影響を与えない。
【００９１】
シンプルなアルゴリズムが、ヨーレートとヨーレート推定値の相対符号に基づいて車両の逆走行時を検出する。車両の逆走行時に制御装置の起動を防止することによって、操舵感覚を混乱させる変化を回避する。
【００９２】
最小限の追加ハードウェア
ベースとなる車両以外に最小限のハードウェア要件がある。必要なものは１個または複数の安価な横加速度センサだけである。
【００９３】
記号用語集
【００９４】
【表１】
【００９５】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明に従う制御システムの１つの実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明に使用可能な制御装置ゲインマップの例を示すグラフである。
【図３】図１の定常状態の制御装置の導関数を示すブロック図である。
【図４】ヨーレートの代わりに横加速度の使用を示すブロック図である。
【図５】横加速度に基づく変更トルクの提供を示すブロック図である。
【図６】本発明に従う制御システムの別の実施形態を示すブロック図である。
【図７】本発明に従う制御システムの別の実施形態を示すブロック図である。
【図８】ヨーレート推定と逆走行検出を示すブロック図である。
【図９】ヨーレート推定器を示すブロック図である。
【図１０】横加速度推定器を示すブロック図である。
【図１１】逆走行検出を示すブロック図である。
【図１２】アンダステア制御を示すブロック図である。
【図１３】運転者トルクのスケーリングルックアップ表に対するヨーレート誤差を示すグラフである。
【図１４】トルク制御区分を示すブロック図である。
【図１５】スケーリング修正の形状を示すグラフである。
【図１６】横加速度感覚制御を示すブロック図である。
【図１７】図７に類似の別の実施形態を示すブロック図であり、ヨーレート推定器が横加速度推定器と置き換わっている。
【０００１】
本発明は、電動式路上走行車両における電気式補力操舵システム（ＥＡＳ）に関し、特にヨーレートまたは横加速度などの測定された車両動力学的特性に基づいて操舵トルク補償または触覚トルクを提供するようになされた、路上走行車両における制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気式補力操舵システムは当業ではよく知られている。例えば、ラックアンドピニオンギヤのセットを使用して操舵コラムを操舵車軸に連結する電気補力操舵システムは、電気モータを使用して、ピニオンギヤに連結する操舵軸に回転力を加えるか、またはラック歯を有する操舵部材に直線力を加えることによって動力を補助する。このようなシステムにおける電気モータを（ａ）運転者が車両のステアリングホイールに加えるトルクと（ｂ）検知された車両速度とに応答して制御するのが典型である。
【０００３】
他の知られている電気式補力操舵システムは、少なくとも一部が電気的または電子的制御システムの制御下にある油圧手段によって動力を補助される電気油圧システムを含む。
【０００４】
自動車市場の少なくとも幾つかの分野では、ステアリングホイールを介して車両の動的状態に関する情報を運転者に提供しようとする要望がある。最も一般的な効果は、車両に対する横加速度が増加するときの運転者トルクの増加（ハンドルが重くなったように思われる）と、車両が最終アンダステアに達するときの運転者トルクの急激な低下（ハンドルが一段と軽くなったように思われる）である。（最終アンダステアは、ハンドル角が増加しても車両のヨーレートはそれ以上増加しない時点であると考えられる。）従来は、操舵システムを慎重に設計することによって、これらの効果を生成してきたが、現代の動力補助操舵システムと操舵システム設計上のスペースと他の仲介物によって、このような効果がはるかに目立たなくなってきている。しかし、これらの効果によって車両の操縦性が向上するために、幾つかの市場分野では、そのような効果はかなり重要なものになり得ると一般に認知されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の１つの目的は、運転者が操舵システムから受け取る触覚情報を改良することおよび車両に既存の車両の動的状態に関する情報を使用してアルゴリズムを提供し上記の操舵感覚特性を人工的に再生することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、その最も広い範囲では、動的状態に関する情報を操舵感覚から収集できる方式で、動作センサからの信号を使用して補力操舵システムによって供給される補助トルクを調節する制御アルゴリズムに関する。１つの実施形態では、このアルゴリズムは、横加速度に比例して運転者が感じる運転者（ハンドル）トルクの増加を再生し、また別の実施形態では、車両が最終アンダステアに入るとき運転者トルクの減少を再生する。
【０００７】
本発明の第１の態様に従って電動式路上走行車両に補力操舵システムが提供されるが、このシステムは、運転者が加えるトルクと検知した車両速度に応答して操舵システムのために補助トルク信号を生成して運転者の操舵力を軽減するのに効果的に構成されている補助トルク信号生成手段と、トルク補助信号に追加するように構成されている触覚トルクを車両ヨーレート誤差に基づいて生成する手段であって、このヨーレート誤差が車両の操舵不安定の増大に対応して増加するとき、このトルク補助信号に追加された触覚トルクが、少しでも実際に車両安定が失われる前に、運転者が感じる有効な道路の反作用フィードバックを低減し、それによって最終的な操舵不安定に至る前に運転者が適切な時点で適正に修正することができるように触覚トルクを生成する手段とを具備する。
【０００８】
このようなシステムは、運転者の注意を操舵不安定状態（例えば、アンダステアまたはオーバステア）に向ける利点を有する。
【０００９】
補助トルク信号生成手段は電気モータを備えることが好ましい。
【００１０】
ヨーレート誤差は、操舵角と車両縦速度の測定値から導かれた推定ヨーレートを測定された車両ヨーレートと比較することによって確立することができる。
【００１１】
ヨーレート誤差は、必要ならば過剰の要求を阻止するために飽和され、ゲインマップによってスケーリングされることが好ましい。
【００１２】
ゲインは、パワーステアリングからの補助トルクを増加させて運転者に対して操舵感覚を軽くするために、小さいヨーレート誤差によって相対的に小さいゲインが生じかつ大きいヨーレート誤差によって相対的に大きいゲインが生じるように、ヨーレート誤差に従って制御されることが好ましい。
【００１３】
幾つかの実施形態では、複数のゲインマップが備わり、優勢な状態に適合するのに最も適切なマップが、測定されたヨーレート誤差およびコラムトルクなどの測定データに基づく路面状態の評価から自動的に選択されるように構成されている。
【００１４】
触覚トルクは、スケーリングされたヨーレート誤差を使用して操舵コラムトルクをスケーリングすることによって確立されることが好ましく、この触覚トルクは、電気モータを駆動するための出力を供給するトルク補助に追加される。
【００１５】
動的ヨーレート誤差信号は動的ヨーレート推定から導かれる；関数的に均等な横加速度誤差信号もまた均等な動的横加速度推定器から導かれる。
【００１６】
したがって、本発明の第２の態様に従って電動式車両用の補力操舵システムが提供されるが、このシステムは、運転者が加えるトルクと検知した車両速度に応答して操舵システムのために補助トルク信号を生成して運転者の操舵力を軽減するのに効果的に構成されている補助トルク信号生成手段と、トルク補助信号から減じられるように構成されている触覚トルクを車両横加速度に基づいて生成する手段であって、車両横加速度が車両のコーナリングがきつくなるのに対応して増加するとき、このトルク補助信号から減じられた触覚トルクが、車両のタイヤによって生成されるコーナリング力の増加に対応して、運転者が感じる有効な道路の反作用フィードバックを増加させるように触覚トルクを生成する手段とを具備する。
【００１７】
このような第２の態様の構成によって、制御装置をさらに調整してアンダステア点までより重い操舵感覚を与え、一旦切迫したアンダステアが確定してしまうと次にコラムトルクを低下させることができる。
【００１８】
本発明の第３の態様に従って電動式路上走行車両用の補力操縦システムが提供されるが、このシステムは、運転者が加えるトルクと検知した車両速度に応答して操舵システムのために補助トルク信号を生成して運転者の操舵力を軽減するのに効果的に構成されている補助トルク信号生成手段と、トルク補助信号に追加するように構成されている触覚トルクを車両横加速度誤差に基づいて生成する手段であって、この横加速度誤差が車両の操舵不安定の増大に対応して増加するとき、このトルク補助信号に追加された触覚トルクが、少しでも実際に車両安定が失われる前に、運転者が感じる有効な道路の反作用フィードバックを低減し、それによって最終的な操舵不安定に至る前に運転者が適切な時点で適正に修正することができるように触覚トルクを生成する手段とを具備する。
【００１９】
本発明の第４の態様に従って電動式路上走行車両用の補力操縦システムが提供されるが、このシステムは、運転者が加えるトルクと検知した車両速度に応答して操舵システムのために補助トルク信号を生成して運転者の操舵力を軽減するのに効果的に構成されている補助トルク信号生成手段と、トルク補助信号に追加されるように構成されている触覚トルクを（ａ）車両ヨーレート誤差または（ｂ）横加速度誤差に基づいて生成する手段であって、前記誤差が車両の操舵不安定の増大に対応して増加するとき、このトルク補助信号に追加された触覚トルクが、少しでも実際に車両安定が失われる前に、運転者が感じる有効な道路の反作用フィードバックを低減し、それによって最終的な操舵不安定に至る前に運転者が適切な時点で適正に修正することができるように触覚トルクを生成する手段とを具備する。
【００２０】
したがって、第４の態様の場合、この全体的な制御方法は、その方法の前処理部分が制御入力としてヨーレートまたは横加速度を随意選択的に採用することを除けば、触覚トルクを提供することに関しては同じであり、また横加速度の使用によって切迫したアンダステア点まで触覚トルクを与えることにおいてさらなる利点を追加的に提供する。
【００２１】
本発明を以下に図面を参照して例としてのみ説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１を参照すると、車両の運転者が要求するヨーレートの推定値を確立する要素１０に車両操舵角と縦速度が入力される。このヨーレートの推定は、例えば、次のように表される定常状態アンダステアの方程式に基づく。
【００２３】
【数１】
ここでＶxは車両縦速度であり、ｌはホイールベースであり、Ｖchは車両固有の速度であり、δSWはハンドル角であり、ＧSは車輪からハンドルまでの操舵システムのゲインである。次いで、この推定値は一次低域フィルタを通過し、調整されて車両に推定値類似ラグを与える。このフィルタにおいて区切点を慎重に選択することによって、操舵権限の喪失に関連して操舵が軽くなる点が制御可能になる。
【００２５】
得られる推定ヨーレートは、車両安定制御装置（ＶＳＣ）または同様のセンサによって測定した実際の車両ヨーレートを表す信号と１２で比較され、ライン１４に対してヨーレート誤差信号を生成する。次いで、このヨーレート誤差は、過剰な要求を防止するために１６で飽和され、ゲインマップ１８によってスケーリングされる。
【００２６】
飽和ブロック１６は、ヨーレート誤差が過剰に高い水準に達するのを防止する。このヨー誤差を過剰に増加させると、それによってＥＡＳシステムにおける不安定性を励起する恐れがあることが経験から明らかになっている。これは車両に装着したＥＡＳシステムの特定の性質にある程度左右される場合があるが、誤差が生じると、同様に飽和によってシステムが過剰なトルクを生成するのを防止する。車両の走行路面に応じて、このような飽和値を時々調整することが必要になろう。可能性としては、コラムトルクおよびヨーレート誤差をルックアップ表へのインデックスとして使用することである。
【００２７】
１８におけるゲインはヨーレート誤差に従って変化する。小さいヨーレート誤差は、上で言及した線形レジームを示し、そこでは車両が一定の前進速度で運転されておりかつ最終アンダステアに達しておらず、したがって小さいゲインが必要である。他方で、大きいヨーレート誤差は過剰なアンダステアを表し、したがってパワーステアリングからの補助トルクを増大させて操舵感覚を軽くするために大きいゲインが必要である。
【００２８】
ライン２０における触覚トルクの確立は、ゲインマップ１８からのスケーリングされたヨーレート誤差信号を使用して、パワーステアリングにおける不安定モードの励起を防止するために２２で低域フィルタにかけたコラムトルク（Ｔコラム）を２８でスケーリングすることによって行う。コラムトルクに追加するのではなく、コラムトルクを２８でスケーリングすることによって、制御装置が運転者の意思に反して操舵システムを駆動しようとする恐れがある領域に入らないように、この制御装置を防止する。このような方式で、一貫した操舵の自動調心を維持する。運転者がステアリングホイールを解放すれば、コラムトルクがゼロになり、また触覚トルクもゼロになる。
【００２９】
したがって制御装置からの出力は、２８でコラムトルク（Ｔコラム）をゲインマップ１８からの出力と掛け合わせることによって決定される。以上に説明したように、コラムトルクは、ここでもＥＡＳの不安定モードの励起を防止するために２２で低域フィルタにかけられる。このフィルタ２２を慎重に設計すると、安定性の保証と飽和要素１６の除去が可能であることが分かる。次いで、２８において掛け合わせた結果をパワーステアリング制御装置で生成された補助トルク（Ｔ補助）に追加して、パワーステアリング（ＥＡＳ）モータに供給する。
【００３０】
図１の「Ａｂ」ブロック２４および２６は、入力信号の絶対的な値すなわち絶対値を取得するために備わる。
【００３１】
図１の配置におけるヨーレート誤差は、制御装置からの最終出力を確立する際に１８においてゲインマップによってスケーリングされる。このゲイン値は、ヨーレート誤差の値に依存し、また車両が走行する路面の特徴、すなわち、ハイミューまたはローミューにも左右される。
【００３２】
使用可能な制御装置ゲインマップの一例を図２に示す。小さいヨーレート誤差では、スケーリングが負であり、したがって補助トルクを減少させて操舵感覚をわずかに重くする。この目的は、ハンドル角と共に増加するトルクを生成することにある。大きいヨーレート誤差では、そのゲインがはるかに大きくなり、補助トルクを大幅に増大させてハンドル感覚を軽くさせる大きな正の出力を与える。これらのマップの形状は、操舵システムにおける所望の感覚を生成するために変化させることができる。
【００３３】
単一のマップを使用できるが、複数のマップが利用可能であることが好ましく、そのうちで優勢な環境に適合するのに最も適切なマップは、例えば、測定したヨーモーメント誤差およびコラムトルク、またはタイヤスリップもしくはビデオ検出ルーチンに基づく路面状況の評価から自動的に選択可能である。
【００３４】
運転者が受け取る触覚情報を２通りの方法で操舵コラムのトルクを変更することによって上記システムで改善する。一定前進速度のほぼ線形動作領域および最終アンダステアに達する前では、操舵コラムのトルクが、ハンドル角が増加するにつれて次第に増加する。これによって、ハンドルを介して運転者に車両に対する横加速度を触覚的に知らせる。最終アンダステアに達してハンドル角を追加しても車両ヨーレートが増加しなくなるとき、操舵コラムのトルクが大きく減少する。これによってハンドルが非常に軽くなり、牽引力の限界に達したことを運転者に知らせる。制御装置を調整することによって、実際に牽引力を喪失する少し前に、このようなトルク低下を発生させて操舵権限を喪失する前に短時間であるが使用可能な応答時間を運転者に与えることができる。
【００３５】
従来のパワーステアリングシステムは、運転者が加えるトルクを限度内に制御しようとするものである。これでは、上記の触覚特性がまったく失われ、車両の動的状態に伴うトルク変化がほとんどまたはまったく生じないシステムに容易に陥る恐れがある。操舵系の幾何学的配置の設計もまた操舵感覚に対して重大な影響を及ぼす。この幾何学的配置が、操舵トルクを増加させないか、または一旦限度に達するとトルクが低下するようなものであれば、簡単なパワーステアリングシステムではそのような感覚を取り戻すことができないことになる。本システムは、運転者の要求するヨーレートの大きさと車両の実際のヨーレートを考慮して、操舵システムにあるべきトルクの大きさを決定する。次いで、それに応じてパワーステアリングシステムによって生成される補助トルクを調節する。したがって、提案されているシステムは、パワーステアリングシステムと操舵系の幾何学的配置に依存しない操舵感覚を生成する。
【００３６】
図３を参照すると、図１に例示した本発明の第１態様の別の発展形態が示してあり、本質的に図１の定常状態の制御装置の導関数であり、ヨーレートの推定に基づいて動的なアンダステア触覚トルクを提供する。図３の制御装置では、第１態様におけるように、操舵角と縦速度をここでも利用しており、この場合はヨーレートであるが、動的構成要素をさらに含む。得られる出力はヨーレート誤差を供給するが、その誤差は、運転者トルクに対して修正またはスケーリングされるとき、補力システムによって生成される補力トルクに追加するための、随意選択的に制限される触覚トルクを提供する。
【００３７】
次に図４を参照すると、図３に類似する１つの代替発展形態が示してあるが、ヨーレートの代わりに横加速度が使われており、それによって横加速度の推定に基づく動的なアンダステア触覚トルクを提供する。図４の制御装置では、操舵角と縦速度をここでも利用するが、ヨーレートの代わりに横加速度の他の動的構成要素を含む。得られる出力は横加速度誤差を供給するが、その誤差は、運転者トルクに対して修正またはスケーリングされるとき、補力システムによって生成される補力トルクに追加するための、随意選択的に制限される触覚トルクを提供する。
【００３８】
図５は、横加速度（したがってコーナリング力）が切迫したアンダステア点まで増加するとき触覚応答を与えるように横加速度に基づいてトルク変更が行われるのを示す。
【００３９】
図６は、図１、３または４の配置のいずれかに基づいて触覚トルクを提供する配置を示し、図５に示したように横加速度フィードバックを含む。これは、横加速度に基づく触覚トルクを使用して切迫アンダステア点まで動的応答を提供することが可能であり、さらにヨーレートまたは横加速度などの動的関数をさらに追加して、切迫アンダステア点で追加的な応答を提供することができる全システムを例示する。
【００４０】
図７の実施形態では、動的関数がヨーレートであり、したがって動的誤差はヨーレート誤差である。ヨーレート推定器３０は、車両状態情報を使用して車両が線形であるという想定に基づいて運転者が要求しているヨーレートを算出する。次いで、これをアンダステア制御３２に送り、その制御では操舵システムによって生成された補助トルクに対する修正値を算出する。さらに、横加速度ブロック３４は、横加速度信号を使用して別個のトルク修正信号を算出する。３６におけるこれら２つの修正信号の間の差が、３８で操舵システム補助トルクに追加される触覚（感覚）トルクになる。
【００４１】
ヨーレート推定器と逆走行検出
車両のヨーレートまたは横加速度を推定することができる方法が幾つかある。定常状態の推定が最も単純であるが、低車速では信頼性がないことが分かっている。動的推定はより複雑であるが、今日まで、克服できないほどの問題に遭遇してはいない。最終的な解決策は、ＶＳＣ内部からの情報を使用することである。他の１つの可能性のある解決策は、前段で説明したように、ヨーレートの代わりに横加速度を使用することである。ヨーレートまたは横加速度が推定されているとき、同時に車両が逆走行していないかどうかを検出するためのチェックがなされる。車両が逆走行している場合は、ヨーレート誤差または横加速度誤差がゼロに設定される。これによって、車両の逆走行時にアンダステア制御装置が、運転者を混乱させる恐れがある操舵感覚に影響を及ぼさないようにする。ヨーレート推定と逆走行検出を図８に例示する。
【００４２】
ヨーレート推定器／定常状態推定
本明細書で先に説明したように、ヨーレート推定は定常状態アンダステアの方程式に準拠可能である。
【００４３】
【数２】
ここでＶxは車両縦速度であり、ｌはホイールベースであり、Ｖchは車両に固有の速度であり、δSWはハンドル角であり、ＧSは車輪からハンドルまでの操舵システムのゲインである。次いで、この推定値は一次低域フィルタを通過し、調整されて車両に推定値類似ラグを与える。このフィルタにおいて区切点を慎重に選択することによって、操舵権限の喪失に関連して操舵が軽くなる点が制御可能になる。
【００４５】
この方法に関する経験から幾つかの望ましくない特性が浮き彫りになった。この推定器は低速で破綻し、非常に望ましくない「駐車」型動作で制御装置を起動させる。また推定器の動作も速度変化に伴う車両動作の変化を反映しない。
【００４６】
動的ヨーレート推定器
ヨーレート推定器は、ヨーレートフィードバックを備える２輪車モデルに基づくフルオーダ観測器を使用して改良することができる。図９を参照されたい。この２輪車モデルは次のように記述される。
【００４７】
【数３】
推定器の閉ループ形は次のように記述される。
【００４９】
【数４】
Ｇは推定器の極を開ループモデルよりも１０倍速い位置に配置するように選択されている。これは、車両の実際のヨーレートを推定器で使用して車両のヨーレートを決定するので、最初は不必要に思われる。低ヨーレートでは、推定値と測定値が一致することになるのは事実である。しかし、推定器は完全な線形モデルに準拠するが、そのモデルは、アンダステアが増大していくとき車両がより非線形になるにつれて正確度が低下していく。したがって、車両がアンダステアになり始めるとき、これらの推定値と実際のヨーレートが乖離し始めて補助トルク値を変化させるために使用する誤差が生じる。したがって、ヨーレートフィードバックを使用すると、推定器の妨害感受性が減少して速度に伴って動的特性が変化する。
【００５１】
推定器は、追加的なフィードバック信号として横加速度を使用することによってさらに改良可能であるが、推定器はパラメータ変化に対して頑強であることが実験でも明らかになっている。
【００５２】
横加速度推定
図１０は図９に対応する図であるが、推定器が横加速度推定器ブロックである場合を例示する。制御器は、ヨーレート推定器に関するものと実質的に同じであるが、下の横加速度方程式からの項目Ｄ’が追加されている。
【００５３】
このシステムは動的推定器に関するものと同じであるが、ただ観測器への入力が操舵角と横加速度（ヨーレートではなく）あり、出力が横加速度の推定値、すなわち、方程式４である。この推定横加速度を実際の横加速度から減ずることによって、図１の第１実施形態のヨーレート誤差信号と同じ方法で使用可能な誤差信号を生成する。
【００５４】
【数５】
横加速度観測器に関する状態方程式は次式によって与えられる。
【００５６】
【数６】
逆走行検出
好ましい逆走行検出アルゴリズムを図１１に示す。ヨーレートが不感帯にあるかまたはそれらが異なる符号を有するとき、逆走行フラッグがゼロであり、車両が逆走行していることを示す。これらの不感帯４０、４２は、ヨーレート信号に対するノイズの効果を制限する。それらの不感帯は、静止車両に関して、ヨーレートに対するノイズが不感帯を超えないように設定されている。信号が不感帯にある間は、ブロックの出力はゼロである。符号ブロック４４、４６は入力信号の符号を取得する。入力信号がゼロの場合はその符号値もゼロであり、そうではなく入力が正であればその符号値が正であるか、あるいは入力信号が負であればその符号値はマイナス１である。飽和４８は、入力が１以上であれば、出力は１であるように設定される。入力がゼロ以下であれば、出力はゼロである。これによって逆走行フラッグは０または１に制限される。逆走行検出は、推定横加速度と実際の横加速度を比較することによっても同じく適切に実現可能である。
【００５８】
ヨーレート誤差、すなわち、運転者が要求しているヨーレートと車両の実際のヨーレートの間の差は、５０において、図８に示す推定ヨーレートから車両の実際のヨーレートを減ずることによって知ることができる。
【００５９】
運転者トルク制限ブロックによって運転者トルクの値を既定の水準に制限する。アンダステア制御によってシステムに導入されるトルク量は運転者トルクに比例するので、運転者トルクを制限すると、システムが導入できるトルク量が効果的に制限される。
【００６０】
アンダステア制御
アンダステア制御は、図１２に示すように幾つかのセクションを含む。スケーリングマップ５２へのヨーレート誤差によって操舵感覚を制御すると共に、トルク制御５４によって、パワーステアリングからの補助トルクを打ち消し、さらに運転者が加えるトルクを反転さえして、過剰なアンダステアトルクを防止する。ここでも、図１２の制御構造は横加速度誤差の推定値に基づいてアンダステアトルクを同じく適切に生成することができる。
【００６１】
スケーリングマップへのヨーレート誤差
ヨーレート誤差をルックアップ表へのインデックス入力として使用する。このルックアップの出力は運転者トルクのスケーリングである。ルックアップ表の要素は、図１３に示すように、小さいヨーレート誤差に関して小さく、大きいヨーレート誤差に関して大きい（運転者トルクのスケーリングルックアップ表へのヨーレート誤差）。ここでも、図１３の原理を横加速度誤差に同様に適用可能である。
【００６２】
ルックアップ表における要素を変更することによって、制御装置の効果を異なる車両に合わせて調整可能であり、異なる動作を与えることができる。小さいヨーレート誤差で大きな要素から小さい要素への移行を引き起こすことによって、車両が最終アンダステアに達するかなり前に操舵感覚を軽くすることができる。最初にトルクスケーリングゲインがわずかに負になると、小さいヨーレートで操舵をより重く感じさせることができる。これは横加速度に比例して運転者トルクが増加するのに非常に似ている。
【００６３】
トルク制御
アンダステア制御装置は、パワーステアリングシステムによって生成される補助トルクよりも大きいトルクを生成することができる。これが起こると、運転者が感じるトルクが反転することになる。これは不安感と混乱ばかりでなく、運転者がその手を離したとき、操舵が真っ直ぐ前方に戻るのではなくさらにロック状態に巻き込む恐れがある。このようなトルクの反転を防止するために、図１４に示すアルゴリズム（トルク制御セクションのブロック図）を構成した。これは、実際の運転者トルクをトルク閾値と５６で比較して、０と１の間でスケーリングを生成することによって実現される既定トルク閾値よりも上に運転者トルクを維持しようとするものである。このスケーリングをアンダステア制御装置の出力に適用することによって、アンダステア制御装置の効果を制御することができる。
【００６４】
このアルゴリズムをスケーリング修正値が図１５に示す形状によって生成されるように設計するが、ここでＴ閾値は運転者トルクがそれ以下に低下するべきではないトルク値であり、ｋ調整は調整ゲイン値である。
【００６５】
スケーリング修正は３つの段階を有する。第１段階では、運転者トルクが非常に小さく、トルク反転を防止するためにアンダステア制御装置の効果を迅速に制限することが必須である。これは、スケーリング修正をゼロに設定し、それによってアンダステア制御装置の効果を無効にすることによって実現する。これは事実上不感帯であり、トルクセンサからのノイズを処理する際に有用である。第２段階は、何らかの設計点とトルク閾値の間にある。このセクションでは、トルク制御装置からの出力が０から１まで線形に傾斜してアンダステア制御装置を円滑に制御する。最後のセクションは、運転者トルクがトルク閾値を上回るところである。このスケーリング修正は１であり、したがってアンダステア制御装置出力に対して何も効果を及ぼさない。
【００６６】
トルク閾値
このブロック５８は、運転者トルクが下回らないことが望ましい水準に等しい定数である。十分な値は１Ｎｍであることが分かっている。
【００６７】
ＭＡＸ
ＭＡＸブロック６０、６２は、それらの２つの入力最大値を取得するだけである。両方の場合とも、それらは、負のスケーリング修正を引き起こす恐れのあるゼロを入力が下回るのを防止する。そのような負のスケーリング修正は運転者にトルク反転をもたらし、それは運転者を混乱させることになるので非常に望ましくない。
【００６８】
調整ゲインおよびフィルタ
調整ゲインおよびフィルタブロック６４は、運転者トルク信号を平滑化して、切換の少ないより円滑な制御を行う。調整ゲインを使用して次式によって説明される不感帯のサイズを制御する。
【００６９】
【数７】
横加速度制御
横加速度感覚制御、すなわち、図１６は、車両の横加速度に比例して操舵システムにおけるトルクが増加するように設計されている。
【００７１】
横加速度補償（６６）
横加速度センサによって供給された横加速度値は、補償アルゴリズムを通過する。これはノイズを除去するための単なるフィルタであるか、または横加速度センサ位置に関する修正の場合がある。前車軸における横加速度を使用すると最良の結果が得られる。センサをその位置に配置することが見込めないとき、補償要素を使用して、横加速度の測定値を測定することが好ましい前輪間の中間位置からセンサが物理的に変位する分を補償することができる。
【００７２】
ＡＢＳ（６８）
ＡＢＳブロックは絶対値を取得するだけであり、それによってスケーリングが常に正であり、また横加速度トルクが常に運転トルクと同じ符号を有することが保証される。もし相対符号が変化することになったら、操舵感覚が混乱することになろう。
【００７３】
ルックアップ表（７０）
その横加速度に適用されるゲインは速度に依存し、かつルックアップ表において決定される。低速ではゲインはゼロであり、時速約１０と４０ｋｍの間では、ゲインがピーク値に上昇し、さらにそれ以上の速度ではいずれもそのピーク値に留まる。典型的なゲインのピーク値は約０．３である。
【００７４】
触覚トルク制限
これは、触覚トルクが既定の制限値を超過するのを防止する飽和である。その触覚トルクがこれらの制限値を超過することがあれば、それを制限値に保持するだけである。
【００７５】
触覚制御装置の好ましい形態の主要な特徴を次のように要約することができる。
【００７６】
アンダステアのトルク変化を人工的に導入することができる。
【００７７】
車両がアンダステアにあるとき、運転者トルクの低下が不十分であるように操舵システムが設計されているなら、車両の他のセンサからの情報を使用してトルク低下を追加することができる。
【００７８】
横加速度に比例するトルクの増加を人工的に導入することができる。
【００７９】
横加速度に比例する運転者トルクの増加が不十分であるように操舵システムが設計されているなら、車両の他のセンサからの情報を使用してトルク増加を追加することができる。
【００８０】
加わるトルクが運転者トルクに比例する。
【００８１】
制御装置によって加えられるトルクを運転者トルクに比例させることによって、受動的な車両動作を維持する。運転者がその手をハンドルから離すと、運転者トルクはゼロになり、触覚的な制御装置トルクもゼロになってハンドルが自動調心する。
【００８２】
アンダステア制御の適用点は完全に調整可能である。
【００８３】
操舵が軽くなる点を車両から切り離すことができる。したがって、最終アンダステアの少し前に操舵を軽くすることが可能であり、それによって事前に運転者に牽引力喪失の警告を与える。
【００８４】
アンダステアにおけるトルク低下量が調整可能である。
【００８５】
アンダステアにおいてトルクが低下する量はソフトウェア上で調整可能である。したがって、車両に適合するトルク低下特徴を有する操舵システムを創出することが簡単である。
【００８６】
横加速度のトルク増加量が調整可能である。
【００８７】
横加速度に比例してトルクが増加する量はソフトウェア上で調整可能である。したがって、車両に適合するトルク低下特徴を有する操舵システムを創出することは、速度と一緒にその特徴をマッピングして適切な低速度特徴を付与することを含めて簡単である。
【００８８】
ヨーレートの代わりに横加速度が使用可能である。
【００８９】
ヨーレート信号を横加速度信号の代わりに使用可能であり、システムは、推定器の方程式に幾つかの変更を加えるだけで同じように機能する。これは、横加速度のコストがヨーレートセンサよりもはるかに小さいので利点がある。
【００９０】
逆走行時にアルゴリズムは操舵感覚に影響を与えない。
【００９１】
シンプルなアルゴリズムが、ヨーレートとヨーレート推定値の相対符号に基づいて車両の逆走行時を検出する。車両の逆走行時に制御装置の起動を防止することによって、操舵感覚を混乱させる変化を回避する。
【００９２】
最小限の追加ハードウェア
ベースとなる車両以外に最小限のハードウェア要件がある。必要なものは１個または複数の安価な横加速度センサだけである。
【００９３】
記号用語集
【００９４】
【表１】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明に従う制御システムの１つの実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明に使用可能な制御装置ゲインマップの例を示すグラフである。
【図３】図１の定常状態の制御装置の導関数を示すブロック図である。
【図４】ヨーレートの代わりに横加速度の使用を示すブロック図である。
【図５】横加速度に基づく変更トルクの提供を示すブロック図である。
【図６】本発明に従う制御システムの別の実施形態を示すブロック図である。
【図７】本発明に従う制御システムの別の実施形態を示すブロック図である。
【図８】ヨーレート推定と逆走行検出を示すブロック図である。
【図９】ヨーレート推定器を示すブロック図である。
【図１０】横加速度推定器を示すブロック図である。
【図１１】逆走行検出を示すブロック図である。
【図１２】アンダステア制御を示すブロック図である。
【図１３】運転者トルクのスケーリングルックアップ表に対するヨーレート誤差を示すグラフである。
【図１４】トルク制御区分を示すブロック図である。
【図１５】スケーリング修正の形状を示すグラフである。
【図１６】横加速度感覚制御を示すブロック図である。
【図１７】図７に類似の別の実施形態を示すブロック図であり、ヨーレート推定器が横加速度推定器と置き換わっている。
Claims (23)
- 電動式路上走行車両用の補力操舵システムであって、
運転者が加えるトルクと検知した車両速度とに応答して、操舵システムのために補助トルク信号を生成し、運転者の操舵力を軽減するように構成されている補助トルク信号生成手段と、トルク補助信号に追加されるように構成されている触覚トルクを（ａ）車両ヨーレート誤差または（ｂ）横加速度誤差に基づいて生成する手段であって、前記誤差が車両の操舵不安定の増大に対応して増加するとき、このトルク補助信号に追加された触覚トルクが、実際に車両安定が失われる前に、運転者が感じる有効な道路の反作用フィードバックを低減し、それによって最終的な操舵不安定に至る前に運転者が適切な時点で適正に修正することができるように触覚トルクを生成する手段とを具備する操舵システム。 - 電動式路上走行車両用の補力操舵システムであって、
運転者が加えるトルクと検知した車両速度とに応答して操舵システムのために補助トルク信号を生成して運転者の操舵力を軽減するように構成されている補助トルク信号生成手段と、トルク補助信号に追加するように構成されている触覚トルクを車両ヨーレート誤差に基づいて生成する手段であって、このヨーレート誤差が車両の操舵不安定の増大に対応して増加するとき、このトルク補助信号に追加された触覚トルクが、実際に車両安定が失われる前に、運転者が感じる有効な道路の反作用フィードバックを低減し、それによって最終的な操舵不安定に至る前に運転者が適切な時点で適正に修正することができるように触覚トルクを生成する手段とを具備する操舵システム。 - 電動式路上走行車両用の補力操舵システムであって、
運転者が加えるトルクと検知した車両速度とに応答して操舵システムのために補助トルク信号を生成して運転者の操舵力を軽減するのに効果的に構成されている補助トルク信号生成手段と、トルク補助信号に追加するように構成されている触覚トルクを車両横加速度誤差に基づいて生成する手段であって、この横加速度誤差が車両の操舵不安定の増大に対応して増加するとき、このトルク補助信号に追加された触覚トルクが、実際に車両安定が失われる前に、運転者が感じる有効な道路の反作用フィードバックを低減し、それによって最終的な操舵不安定に至る前に運転者が適切な時点で適正に修正することができるように触覚トルクを生成する手段とを具備する操舵システム。 - 補助トルク信号生成手段が電気モータを備える、請求項１、２または３に記載の操舵システム。
- ヨーレート誤差が、操舵角と車両縦速度の測定値から導かれた推定ヨーレートを測定された車両ヨーレートと比較することによって確立される、請求項１または２に記載の操舵システム。
- ヨーレート誤差が、必要ならば過剰な要求を阻止するために飽和され、ゲインマップによってスケーリングされる、請求項５に記載の操舵システム。
- ゲインが、パワーステアリングからの補助トルクを増加させて運転者に対して操舵感覚を軽くするために、小さいヨーレートによって相対的に小さいゲインが生じかつ大きいヨーレートによって相対的に大きいゲインが生じて、ヨーレート誤差に従って制御される、請求項６に記載の操舵システム。
- 複数のゲインマップが備わり、優勢な状態に適合するのに最も適切なマップが、測定データに基づく路面状態の評価から自動的に選択されるように構成されている、請求項６または７に記載の操舵システム。
- 触覚トルクが、スケーリングされたヨーレート誤差を使用して操舵コラムトルクをスケーリングすることによって確立され、この触覚トルクは、電気モータを駆動するための出力を供給するトルク補助に追加される、請求項６、７または８に記載の操舵システム。
- 電動車両用の補力操舵システムであって、
運転者が加えるトルクと検知した車両速度とに応答して操舵システムのために補助トルク信号を生成して運転者の操舵力を軽減するのに効果的に構成されている補助トルク信号生成手段と、トルク補助信号から減じられるように構成されている触覚トルクを車両横加速度に基づいて生成する手段であって、車両横加速度が車両のコーナリングがきつくなるのに対応して増加するとき、このトルク補助信号から減じられた触覚トルクが、車両のタイヤによって生成されるコーナリング力の増加に対応して、運転者が感じる有効な道路の反作用フィードバックを増加させるように触覚トルクを生成する手段とを具備する操舵システム。 - 触覚トルク生成手段が、操舵角、車両の動的レートおよび車両縦速度の測定値に基づいて動的誤差を生成するようになされている動的推定器を具備する、請求項１、２または３に記載の操舵システム。
- 動的推定器がヨーレート推定器である、請求項１１に記載の操舵システム。
- 車両が逆走行しているかどうかを検出する逆走行検出装置を具備し、かつ実際のヨーレートまたは推定ヨーレートが不感帯にある時点、またはそれらが異なる符号を有する時点を検出する手段を備える、請求項１２に記載の操舵システム。
- 動的推定器が横加速度推定器である、請求項１１に記載の操舵システム。
- 車両が逆走行しているかどうかを検出する逆走行検出装置を具備し、かつ実際のヨーレートまたは推定ヨーレートが不感帯にある時点、またはそれらが異なる符号を有する時点を検出する手段を備える、請求項１４に記載の操舵システム。
- 動的誤差と運転者が加えるトルクの制限値からアンダステアトルクを生成するアンダステア制御を含む、請求項１１から１５のいずれかに記載の操舵システム。
- アンダステアトルクが、補力システムのモータを駆動するための補助トルクに追加される触覚トルクを供給する、請求項１６に記載の操舵システム。
- アンダステアトルクが、測定された車両横加速度と車両縦速度に基づいて、横加速度トルクに対応するフィードバック信号によって変更される、請求項１７に記載の操舵システム。
- 横加速度トルクに対応するフィードバック信号が、車両の測定された横加速度と車両縦速度に基づく、請求項１８に記載の操舵システム。
- 横加速度トルクが、運転者がステアリングホイールに対して加えるトルクにさらに依存する、請求項１８または１９に記載の操舵システム。
- 横加速度トルクが、横加速度と縦速度に依存する関数の積に応じて発生する、請求項１８または１９に記載の操舵システム。
- アンダステア制御が、運転者が加えるトルクに応じて、動的誤差信号を修正するためのスケーリング修正ゲインを提供するトルク制御を含む、請求項１６から２１のいずれかに記載の操舵システム。
- トルク制御が、実際の運転者トルクをトルク閾値と比較して、０と１の間でスケーリングを生成することによって、既定トルク閾値よりも上に運転者トルクを維持するために構成され、このスケーリングがアンダステア制御装置の出力に適用される、請求項２２に記載の操舵システム。
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