JP2005300914A - 車両運転模擬装置の操舵反力発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステアリング操作や車両挙動に対応した操舵反力を再現し、実車運転時に得られる操舵反力を運転者に与えることのできる車両運転模擬装置の操舵反力発生装置を提供する。
【解決手段】 車両運転模擬装置の操舵反力発生装置において、運転者の操舵角を前記車両運転模擬装置に伝達するステアリング（１）と、前記ステアリングの操舵角を検出する操舵角センサ（２）と、前記車両運転模擬装置が模擬する車両運動状態および前記操舵角に基づいて、操舵反力を計算する制御手段（１３）と、前記操舵反力に応じてトルクを発生し、ステアリングに伝達する操舵反力出力手段（６、１４）と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両運転模擬装置の操舵反力発生装置に関する。

従来の車両運転模擬装置は、ステアリングの旋回に伴なう操舵反力を発生させる操舵反力発生装置として、ステアリング位置制御のための直流ステッピングモータを用いて操舵反力を発生しているものがあるが、ステアリング操作や車両挙動に対応した操舵反力が考慮されていなかった。

なお、車両運転模擬装置の操舵反力発生装置には、例えば、特許文献１に記載されたものがある。
特開平７−１１６３５０号公報

上述のように、ステアリング操作や車両挙動に対応した操舵反力が再現できないと、運転者に違和感を与え、実際の車両を運転するときに得られる現実的な感覚を得ることができない。また、このような現実感の喪失から厳密なハンドル操作ができず、車両運転模擬装置で行う車両挙動計算に影響を与え、模擬装置による評価結果と実車による測定結果との間に誤差ができ、模擬装置の評価結果の信頼性を下げてしまう。

本発明の目的は、したがって、ステアリング操作や車両挙動に対応した操舵反力を再現し、実車運転時に得られる操舵反力を運転者に与えることのできる車両運転模擬装置の操舵反力発生装置を提供することである。

上記目的を達成するために、第１の発明は、車両運転模擬装置の操舵反力発生装置において、運転者の操舵角を車両運転模擬装置に伝達するステアリングと、前記ステアリングの操舵角を検出する操舵角センサと、前記車両運転模擬装置が模擬する車両運動状態および前記操舵角に基づいて操舵反力を計算する制御手段と、前記操舵反力に応じてトルクを発生し、ステアリングに伝達する操舵反力出力手段と、を備えた。

第２の発明は、第１の発明において、前記操舵反力は、車速、車輪速、タイヤ接触面摩擦係数、タイヤ接触面荷重、およびタイヤ回転時慣性に基づいて計算される。

第３の発明は、第１の発明において、前記操舵反力出力手段は、トルクを発生するサーボモータと、前記サーボモータが発生するトルクを検出するトルクセンサとを備え、前記トルクセンサが検出する実際のトルクが前記制御手段が計算したトルクに一致するようにフィードバック制御を行う。

第４の発明は、第３の発明において、前記制御手段は、前記トルクセンサが検出する前記サーボモータの速度及びトルクが過大になったとき、前記操舵反力発生装置の運転を停止あるいは出力トルクを減じる制御を行う。

第５の発明は、第１の発明において、前記ステアリングの操舵量を所定の範囲で制限するストッパ機構を設けた。

第１および第２の発明においては、車両運転模擬装置が模擬する車両運動状態およびステアリング操舵角に基づいて計算された操舵反力を発生させることにより、ステアリング操作や車両挙動に対応した操舵反力を再現して実車運転時と変わらぬ操舵反力を運転者に与え、模擬装置による評価結果と実車による測定結果との間の誤差をなくして模擬装置の評価結果の精度を向上させることができる。

第３の発明においては、サーボモータの発生するトルクを制御手段が計算した目標トルクに敏速かつ確実に一致させることができ、より現実的な操舵反力を再現することができる。

第４の発明においては、サーボモータのトルクや回転速度が過大になったときに敏速に操舵反力発生装置を停止させることにより、運転者および操舵反力発生装置を保護することができる。

第５の発明においては、ストッパ機構を設けてステアリングの操舵量を制限することにより、実車におけるステアリングのロックツーロックの感覚を再現することができ、運転者により現実的な操舵感覚を与えることができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、車両運転模擬装置の操舵反力発生装置の概略構成図である。

この操舵反力発生装置は、車両のステアリング機構の操舵反力モデルに基づいて構成され、運転者の操舵に伴って発生する操舵反力を擬似的に発生するものである。

ステアリング１は、ユニバーサルジョイント９を介してステアリングシャフト１１と連結される。ステアリングシャフト１１は、図３にも示すように、シャフトアダプタ８の軸受８ａを介してギヤボックス３と連結される。このように、ステアリングシャフト１１を軸受８ａで支持することにより、ステアリングシャフト１１の潤滑な回転が可能となる。

ギヤボックス３とシャフトアダプタ８の間には、ステアリングシャフト１１の操舵角度を検出する操舵角センサ２が設けられる。操舵角センサ２は、図２に示すように、中央にステアリングシャフト１１を貫通させた円筒状の回転部２ａに、図示しないハウジングに固定されたセンサ部２ｂを接触させる構成となっている。ステアリングシャフト１１とともに回転する回転部２ａの位置をセンサ部２ｂが検出することによって、ステアリングシャフト１１の操舵角度を検出する。

ギヤボックス３は、上下に延びるステアリングシャフト１１から左右に延びるシャフト１２にギヤ機構を介して回転力を伝達する。

シャフト１２の端部には、操舵反力を発生するサーボモータ６が設けられる。図４に示すように、サーボモータ６は、モータアンプ１４が供給する電圧によって駆動される。後に詳述するが、コントローラ１３は、ステアリングシャフト１１の操舵角度と車両運転模擬装置の車両運転状態とに応じてモータアンプ１４の供給電圧を増減することにより、サーボモータ６の発生トルクを制御する。

この実施形態では、アナログ電圧を制御することによってトルクを制御するサーボモータ６を用いるが、デジタルパルス等を制御してトルク制御するステッピングモータなどを用いても良い。

サーボモータ６とギヤボックス３の間には、サーボモータ６の発生トルクを検出するトルクセンサ５が設けられる。コントローラ１３は、図５に示すように、トルクセンサ５の検出トルクを参照して、サーボモータ６をフィードバック制御し、発生トルクを目標トルクと一致させるようにする。

トルクセンサ５とギヤボックス３の間には、ステアリング１の操舵量を所定の範囲で制限してロックツーロックを発生するストッパ機構４が設けられる。

ストッパ機構４は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、ベース４０上において、カラー４３，４４を介してベアリングホルダ４５，４６で支持されるシャフト１０１，１０２に嵌合された大径ギヤ４１と小径ギヤ４２とから構成される。小径ギヤ４２は、シャフト１０２と連結されたシャフト１２とともに回転し、互いに噛み合う大径ギヤ４１に回転を伝達する。大径ギヤ４１の側面にはロックピン４７が設けられ、このロックピン４７が、大径ギヤ４１のいずれの方向への回転時も、上部が先細った台形状に形成されたストッパ４８にあたることにより、大径ギヤ４１のそれ以上の回転を制限し、ステアリング１のそれ以上の回転を制限する。ロックピン４７はステアリング１の中立位置がストッパ４８の対称位置にくるように設けられる。

このように、ストッパ機構４を設けてステアリング１の操舵量を所定の範囲に制限することにより、実車におけるステアリングのロックツーロックの感覚を再現することができ、運転者により現実的な操舵感覚を与えることができる。

ストッパ機構４には、ステアリング１の操舵量を調節する操舵量調節機構が設けられる。図７は、操舵量調節機構のいくつかの例を示す図である。

図７（ａ）に示した操舵量調節機構によると、大径ギヤ４１に円周方向に延びる長穴４９を設け、長穴４９の所望の位置でロックピン４７を固定することにより、操舵量を調節する。

図７（ｂ）に示した操舵量調節機構によると、大径ギヤ４１に円周方向に所定間隔で複数のピン穴５０を設け、所望のピン穴５０にロックピン４７を固定することにより、操舵量を調節する。

図７（ｃ）に示した操舵量調節機構によると、ロックピン４７としてホルダ５１ａから左右に突出した対のロックナット５１ｂを有したアジャストスクリュウ５１を設け、このロックナット５１ｂの長さを変えることにより、操舵量を調節する。

図７（ｄ）に示した操舵量調節機構によると、ベース４０に取り付けたストッパ４８をアジャストスクリュウ５２で上下方向に移動できるように構成し、ストッパ４８を上に移動させるとロックピン４７の移動量が狭まり、ストッパ４８を下に移動させるとロックピン４７の移動量が多くなるようにすることにより、操舵量を調節する。

図７（ｅ）に示した操舵量調節機構によると、ストッパ４８の両側にロックピン４７との接触部にアジャストスクリュウ５３を設け、ロックナット５３ａの長さを変えることにより、操舵量を調節する。

上述のようにして、ステアリング１の操舵量を変えることにより、複数の車種に対応したロックツーロック感覚を再現することができる。

操舵反力発生装置には、組立時において、シャフト１１、１２上に配置される各装置どうしをシャフト１１、１２の中立位置を保持した状態で組立てるための中立セット機構が設けられる。図８及び図９は中立セット機構のいくつかの例を示した図である。

図８（ａ）〜（ｃ）に示した中立セット機構では、ストッパ機構４の大径ギヤ４１のシャフト１０１の一端に切欠１０１ａを設け、この切欠１０１ａにピン６２によって台座６１に固定されたブラケット６３を噛ませ、シャフト１０１が回転しないように固定する。切欠１０１ａは、ストッパ機構４（ステアリング１）の中立位置において、下を向くように形成される。

これにより、操舵反力発生装置の組込時において、ストッパ機構４が回転して中立位置からずれることを防止し、シャフト１１、１２とストッパ機構４の位置合わせを容易にし、組込作業の効率を向上させる。

図９に示した中立セット機構では、ストッパ機構４の大径ギヤ４１に穴７２を形成し、この穴７２にベアリングホルダ４５に形成された穴７３を貫通させてセットスクリュウ７１を挿入する。

これによっても、上述の中立セット機構と同様に、ストッパ機構４が回転して中立位置からずれることを防止し、シャフト１１、１２とストッパ機構４の位置合わせを容易にし、組立作業の効率を向上させる。

図１０に示した中立セット機構では、ステアリングシャフト１１に一対の平行な溝部７８を形成し、操舵角センサ８とボルト７６によって固定された二又状のブラケット７７を溝部７７に挟み込むことにより、操舵角センサ８に対してステアリングシャフト１１が回転しないように固定する。

このように、ステアリングシャフト１１を中立位置に合わせて固定しておくことにより、操舵反力発生装置の組立時に、ステアリングシャフト１１と操舵角センサ８との間で中立位置がずれることを防止でき、組立作業の効率を向上させることができる。

操舵反力発生装置１００は上述の各装置から構成され、図１１（ａ）で示すハウジング８０に収容される。図１１（ｂ）は、操舵反力発生装置１００とハウジング８０との位置関係を示す。

操舵反力発生装置１００は、図１１（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）で示すように、キャブフロアメンバ８３の下側に配置され、キャブフロアメンバ８３の０点基準に立てられた柱８１とそこから所定の間隔を置いて立てられた柱８２に、その台座８６及びピン８５を押し当てることにより位置決めされる。ステアリング１はキャブ８４の支持マウント８４ａで支持され、その重みが操舵反力発生装置１００にかかることを防ぎ、円滑なステアリング１の回転を確保する。

次に、図１１〜１５を参照して、操舵反力発生装置の制御を説明する。

操舵反力発生装置のコントローラ１３に格納された操舵反力制御プログラムは、図１２に示すように、車両運転模擬装置の一部であり、車両運転模擬装置本体の信号入出力プログラムや車両運動計算プログラムと協働して実行される。

図１２は操舵反力発生装置の制御ブロックを示す図である。

起動信号検出手段１１０は、車両運転模擬装置の起動によって作動し、サーボモータ６やモータアンプ１４などを始動させて初期化を行う。

装置異常検出手段１１１は、操舵反力発生装置の各装置の運転状態を監視し、各装置から非常停止要求信号があった場合は非常停止信号をモータ異常判定手段１１４に送信する。また、モータ速度異常判定手段１１９は、モータ速度測定手段１２０が検出するサーボモータ６の速度を監視し、所定の速度範囲を超えると、モータ異常判定手段１１４に信号を送信する。この非常停止信号およびモータ速度異常信号を受けて、モータ異常判定手段１１４は、サーボモータ６の異常の有無を判定し、サーボモータ６に異常があった場合にはモータアンプ１４への電力供給を速やかに停止して、サーボモータ６を停止させる。または、判定手段１１４発生の信号は、操舵反力出力手段１１８で検出され、安全なトルクが算出され、サーボモータ６より出力される。これにより、運転者および操舵反力発生装置を保護することができる。

一方、モータ／装置部慣性算出手段１１６は、サーボモータ６の慣性やストッパ機構４など回転部の慣性からシャフト１１，１２まわりの全慣性を算出する。モータトルク補正算出手段１１７では、この全慣性とトルクセンサが測定したサーボモータ６の実トルク出力とから、後に詳述する操舵トルクに対する補正値を算出する。

タイヤ操舵時回転トルク算出手段１１２は、操舵角センサ８が検出するステアリング角度と、車速、タイヤ回転数、タイヤ接触面摩擦係数、タイヤ接触面加重、およびタイヤ回転時慣性など車両運転模擬装置が模擬する車両運動状態とから、タイヤ転舵時にかかるキングピン回りのトルクを算出する。

より詳細には、図１４に示すように、車両運転模擬装置から得た車両重量データ、車両運動計算モデル、およびタイヤ運動計算モデルからステアリングジオメトリ、車輪速度、タイヤ寸法、およびタイヤ特性などのデータを利用し、転がり抵抗による回転トルク、キャンパスラストによる回転トルク、および他の要因による回転トルクを算出する。他の要因による回転トルクとは、例えば、旋回時遠心力やサスペンションによるばね反力などである。また、上述の設定データおよびステアリング角度を利用して、ステアリング角度に応じて変化するサイドフォースによる回転トルクおよびジャッキアップトルクによる回転トルクも計算する。そして、算出された各回転トルクを合計しキングピン回りのトルクを計算する。

操舵トルク算出手段１１５では、ドラックリンクおよびピットマンアームの慣性や摩擦などの機械特性によるトルクロスを計算する。また、設定されたパワーステアリングポンプの特性マップからステアリング角度に応じたトルクを検索する。さらに、ステアリング１と軸受との摩擦などの機械損失によるトルクを算出する。これらのトルクを合算したトルク値を操舵トルクとして、モータトルク値算出手段１２２に送る。

モータトルク値算出手段１２２は、操舵トルク算出手段１１５からのトルク値にモータトルク補正算出手段１１７からの補正トルク値を加算し、トルク指令値として操舵反力出力手段１１８に送出する。

図１５は、操舵反力発生装置の制御フローを示す図である。

まず、ステップＳ１で公知のモータアンプ１４の初期化定型処理を行い、次のステップＳ２、Ｓ３では、サーボモータ６を中立位置に初期化し、この位置でのトルクセンサ５の初期化を行う。

ステップＳ４では、操舵反力発生装置の各装置に異常がないかを判定する。各装置に異常がない場合には、ステップＳ５に進んで装置の初期化が正常に完了したことを運転状態表示手段１１３に表示し、異常がある場合には、ステップＳ２１に進んで装置に異常があることを表示し、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ６では、各装置からの停止信号を入力したかどうかを判定し、停止信号がなかった場合はステップＳ７に進んで装置各部の状態信号を読み取り、停止信号があった場合はステップＳ１６に進んで停止信号があったことを表示する。

ステップＳ８では、ステップＳ７で読み取った状態信号から、各装置に重大障害が発生しているか否かを判定し、重大障害が発生した場合には操舵反力発生装置を強制停止する。重大障害とは、例えば、指令値を超える過大トルクやモータ速度が発生した場合およびモニタ信号受信不能などがある。

ステップＳ９で、車両計算プログラムを実行して、車輪速度、タイヤ路面間摩擦係数、およびタイヤ接地面荷重などを導出する。

ステップＳ９で得たデータと、ステップＳ１０で検出した操舵角度センサ８からのステアリングシャフト１１の操舵角を用い、この操舵角に応じたタイヤ転舵時操舵角トルクをステップＳ１１で計算する。

ステップＳ１２では、タイヤ転舵時操舵角トルクからサーボモータ６のモータトルク特性を参照して目標トルク値を決定し、この値からパワーステアリングポンプなど実際の車両のステアリング系による機械損失に相当するトルクを差し引いてステアリング操舵反力を計算する。

ステップＳ１４では、ステップＳ１３でトルクセンサ５が検出したモータトルクを用いてサーボモータ６の慣性や軸受など回転部の機械損失分の補正を行い、トルク指令信号を計算し、ステップＳ１５でこのトルク指令信号をモータアンプ１４に出力する。その後、ステップＳ６に戻る。

一方、ステップＳ６で停止信号があった場合は、ステップＳ１６で停止信号があったことを表示した後、ステップＳ１７にて、この停止信号が非常停止指令であるか否かを判断する。停止信号が非常停止指令でない場合は、ステップＳ２０に進む。

停止信号が非常停止指令である場合は、ステップＳ１８で、操舵反力装置異常検知状態を表示した後、ステップＳ１９でモータトルク指令を０とし、サーボモータ６への電力供給を停止する。そして、ステップＳ２０へと進み、モータアンプ電源トルクメータ電源停止等の停止手順を実行して、操舵反力発生装置を停止する。

このように、本発明では、車両運転模擬装置の操舵反力発生装置において、運転者の操舵角を車両運転模擬装置に伝達するステアリング１と、ステアリング１の操舵角を検出する操舵角センサ２と、車両運転模擬装置が模擬する車両運動状態および操舵角に基づいて、操舵反力を計算する制御手段と、操舵反力に応じてトルクを発生する操舵反力出力手段と、を備えることにより、ステアリング操作や車両挙動に対応した操舵反力を再現して実車運転時と変わらぬ操舵反力を運転者に与え、模擬装置による評価結果と実車による測定結果との間の誤差をなくして模擬装置の評価結果の精度を向上させることができる。

本発明を、構造的と方法的特徴に関してある程度特定的な言葉で説明したが、本明細書に開示した手段は本発明を実施する好ましい形態を含むものであり、本発明はこれら図示し記載された特定の特徴に制限されないことを理解されたい。したがって、本発明は、均等の原則に従って適切に解釈される特許請求の範囲に記載された範囲内におけるいかなる形態または変更についても含むものである。

本発明は運転練習用の車両運転模擬装置やゲーム機等のアミューズメント装置に適用できる。

本発明の操舵反力発生装置の概略構成図である。 操舵角センサの構成図である。 シャフトアダプタの構成図である。 サーボモータ制御装置の概略構成図である。 サーボモータのフィードバック制御を説明する図である。 ストッパ機構の構成図である。 操舵量調節機構を説明する図である。 中立セット機構を説明する図である。 中立セット機構を説明する図である。 中立セット機構を説明する図である。 操舵反力発生装置を収めるハウジングの構成図である。 操舵反力発生装置の制御ブロックを示す図である。 操舵反力発生装置の制御装置の位置付けを説明した図である。 操舵反力の演算方法を説明する図である。 操舵反力発生装置の制御フローを示すフローチャートである。

符号の説明

１ ステアリング
２ 操舵角センサ
３ ギヤボックス
４ ストッパ機構
５ トルクセンサ
６ サーボモータ
８ シャフトアダプタ
１１、１２ シャフト
１３ コントローラ
１４ モータアンプ

Claims (5)

1. 車両運転模擬装置の操舵反力発生装置において、
   運転者の操舵角を前記車両運転模擬装置に伝達するステアリングと、
   前記ステアリングの操舵角を検出する操舵角センサと、
   前記車両運転模擬装置が模擬する車両運動状態および前記操舵角に基づいて操舵反力を計算する制御手段と、
   前記操舵反力に応じてトルクを発生し、ステアリングに伝達する操舵反力出力手段と、
   を備えたことを特徴とする車両運転模擬装置の操舵反力発生装置。
2. 前記操舵反力は、車速、車輪速、タイヤ接触面摩擦係数、タイヤ接触面荷重、およびタイヤ回転時慣性に基づいて計算されることを特徴とする請求項１に記載の車両運転模擬装置の操舵反力発生装置。
3. 前記操舵反力出力手段は、トルクを発生するサーボモータと、前記サーボモータが発生するトルクを検出するトルクセンサとを備え、前記トルクセンサが検出する実際のトルクが前記制御手段が計算した目標トルクに一致するようにフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の車両運転模擬装置の操舵反力発生装置。
4. 前記制御手段は、前記トルクセンサが検出する前記サーボモータの速度またはトルクが過大になったとき、前記操舵反力発生装置の運転を停止あるいは出力トルクを減じる制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の車両運転模擬装置の操舵反力発生装置。
5. 前記ステアリングの操舵量を所定の範囲で制限するストッパ機構を設けたことを特徴とする請求項１に記載の車両運転模擬装置の操舵反力発生装置。

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