JP2005343456A - 轍脱出のための車両制御システム及びそのシステムを有する自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】轍からの車両の脱出を容易にする。
【解決手段】車両制御システムは操舵角を規定する操舵輪12を含むアクティブ操舵システム10を備えている。このシステム10は、ドライバー入力制御角を生成するためのステアリング・ホイール16を備え、更に、制御器構成部18やセンサー構成部60などを備えている。これらの各構成部は、制御器構成部18がドライバー入力制御角に応じて操舵角20, 21を選択的に変更できるように、相互に接続されている。この操舵角20は、操舵輪が接触面上でスリップしていない場合に想定される車両ヨーを規定する。車両制御システムは、選択された車輪を制動するように構成された制動システムを備えている。制御器18は、少なくとも想定される車両ヨー及び実際のヨー角度に基づき、車両が轍内にあるか否かを判断するとともに、実際のヨー角度を増大させるために車両の第１の側の車輪を第２の側よりも大きな制動を行うための制動信号を生成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車に関し、特に、自動車用アクティブ制動及び前輪操舵システムに関する。

自動車用アクティブ前輪操舵システムは、車両のステアリング・ホイールの回転と異なる割合で、又はステアリング・ホイールの回転が無くても、車両の車輪を回転させるために用いられる。車輪の回動量に対するステアリング・ホイールの回転量の比によって、操舵比が規定される。そのため、アクティブ前輪操舵システムが車両の操舵比を設定する。上記アクティブ前輪操舵システムが無い場合には、操舵比は、通常、ステアリング・ホイールと車輪との間の機械結合によって設定される比率により決定される。また、従来より、アクティブ前輪操舵システムは、車両のラック・アンド・ピニオン・システムのラックに接続されて動作するパワー・アクチュエーター（powered actuator）を備えている。また、アクティブ前輪操舵システムは、操舵輪の回動を補助する。さらに、アクティブ前輪操舵システムは、基本的な動作として、ステアリング・ホイールを介して入力されるドライバーからの入力制御角度を補助して、操舵比に従い車輪を回転させるように構成されているのが、一般的である。

車両はまたアンチロック・ブレーキング・システム（ABS）を備えており、それは、路面などの接触面上での車輪のスリップを防止又は制限するために、車輪へ供給されるトルクを制御するためのセンサー及び制御器を備えている。既知の制動システムはまた、加速中のスリップを軽減若しくは防止するために、駆動系（driverline）によって供給されるトルクを制限して駆動輪に対して制動が行えるようになっている。
米国特許第５３４３９７０号明細書

本発明は、轍（rut）からの車両の脱出を容易にする車両制御システムを提供することを課題とする。

車両制御システムは、操舵角を規定する操舵輪を持つアクティブ操舵システムを備えている。このアクティブ操舵システムは、ドライバー入力制御角度を提供するためのステアリング・ホイールを備えており、更に、カプラー構成部、アクチュエーター構成部、制御器構成部、及びセンサー構成部、を備えている。そして、上記アクティブ操舵システムの各構成部は、制御器構成部がドライバー入力制御角に応じて操舵角を変更できるように、相互に接続されている。操舵角は、路面のような接触面上で操舵輪がスリップしていない場合に想定される車両のヨー（yaw）を規定する。上記センサー構成部は、実際の車両ヨー角度に対応した信号を出力するように構成される。上記車両制御システムはまた、選択された車輪を制動するように構成された制動システムを備えている。上記制御器は、少なくとも上記想定される車両ヨーと実際のヨー角度とに基いて、車両が轍内にあるか否かを判断するように構成される。上記制御器は、実際のヨー角度を増大させるようなヨー・トルクを発生し、それにより車両の轍からの脱出を容易にするために、車両の第一の側の車輪の方を第二の側よりも大きな制動をかけるように制動信号を発生する。

本発明の別の観点は、車両制御システムが、車両制御パラメーターを変更するためにドライバーによる手動操作が可能な少なくとも一つの車両制御装置を備えていることである。制御システムはまた、車両をヨー的（in a yaw sense）に変位させる傾向にあって車両に作用するヨー・モーメントを発生するように、少なくとも一つの車両制御パラメーターを選択的に変更する制御器を備えている。該制御器は、ドライバーが望む進行方向を実際の車両進行方向と比較することにより、車両が轍の中にあるか否かを判定する。制御器は、車両をドライバーが望む方向にヨー的に変位させ、それにより轍から出るのを容易にするヨー・モーメントを提供するために、少なくとも一つの車両制御パラメーターを変更可能な轍脱出機能を備えている。本発明の更に別の観点は、シャシー、パワートレイン及び車両制御システムを含む自動車である。シャシーは、操舵角を規定する少なくとも一つの操舵輪を含む。パワートレインは、エンジン及びそれに結合された変速機を含む。車両制御システムは、制御器、該制御器に接続されたアクティブ操舵システム、及び、同じく上記制御器に接続された制動システム、を含む。アクティブ操舵システムは、操舵角を規定する操舵輪及び、ドライバー入力制御角を提供する操舵輪、を含む。アクティブ操舵システムは、更に、カプラー構成部、アクチュエーター構成部、制御器構成部及びセンサー構成部、を含む。アクティブ操舵システムの各構成部は、制御器構成部が、ドライバー入力制御角に対して操舵角を変更できるように、相互接続されて動作する。操舵角は、操舵輪がスリップしていない場合に想定される車両のヨーを規定する。センサー構成部は、実際の車両ヨー角度に対応する信号を制御器へ出力する。制御器は、車両が轍内にあるか否かを判定し、そして、ヨー的に車両を変位させる傾向にあり、それにより車両が轍から脱出するのを可能にするヨー・モーメントを発生させるように、制動システム及びアクティブ操舵システムを制御する。

これらの本発明の特徴、効果及び目的は、明細書の以下の記載、請求項及び添付の図面を参照することにより、この分野の当業者により、更に理解されるであろう。

以下の記載において、本発明では、反対に明示的に特定される場合を除き、様々な代替案が存在することが理解されるべきである。添付の図面に図示され、以下に明細書に記載された特有の装置及び方法は、請求項により規定される発明概念の単に例示的な実施形態に過ぎない。そのため、ここに記載された実施形態に関する特有の寸法などの物理特性は、請求項が明示的に述べていない限り、限定的に解釈されるべきではない。

図１を参照すると、図中の符号10が、本発明に係る自動車用操舵システムを全体的に示したものである。図示の例において、操舵システム10は、操舵角20（図２参照）を規定する操舵輪12、操舵角を制御するパワー・アクチュエーター14（アクチュエーター構成部）、及び、ドライバー入力制御角度を発生するステアリング・ホイール16、を有する。ドライバー入力制御角度の操舵角に対する比が、操舵比を規定する。操舵システム10はまた、少なくとも路面状態に基き、操舵比を変更することのできる制御器18（制御器構成部）を有する。

図の例では、上記操舵システム10は、車両フレーム19に対して枢軸17回りに回動する一対の操舵輪12を有する。各車輪は、当該車両の長軸22と各車輪12の進行中心軸24との間に操舵角20（図２）を規定する。操舵角20は各操舵輪12の回動により規定される一方で、操舵角20はまた、回動可能な後輪などの他の枢動可能な車輪が車両に設けられているならば、それらの車輪によって規定することも出来る。

操舵システム10はまた、矢印27により表される方向に回動可能で、ステアリング・ホイール16を介して車両ドライバーからのドライバー入力制御角度を受けるためのステアリング・コラム26を備えている。ステアリング・コラム26は、ラック32とピニオン・ギア34、一対の引き棒（drug link）36及びステアリング・アーム38を含むラック・アンド・ピニオン・システム30を介して、操舵輪12に連結されている。本実施例では、ラック・アンド・ピニオン・システムを用いているが、ここに記載される操舵システム10に比肩する他の操舵システムを用いることも出来る。

操舵システム10は更に、パワー・アクチュエーター14と信号の授受可能な制御器18を備えたアクティブ前輪操舵システム40を含む。パワー・アクチュエーター14は、ラック・アンド・ピニオン・システム30にカプラー46（カプラー構成部）を介して接続される。アクティブ前輪操舵システム40は、操舵輪12を枢軸17回りに回動させる補助をする。この実施例では特定の種類のアクティブ前輪操舵システムが記載されているが、この分野で公知の他のシステムを用いることも出来る。基本的な動きとして、アクティブ前輪操舵システム40は、ドライバーからステアリング・ホイール16に与えられる入力制御角度を、パワー・アクチュエーター14を用いて増大させることができる。操舵輪14により規定される操舵角20は、ドライバー入力制御角度とパワー・アクチュエーター14により供給される追加の操舵角との組み合わせにより決定される。ここで、パワー・アクチュエーター14により供給される追加の操舵角は、以下の式により求められる。

∝_ASA ＝ δ_DICA ((Ｒ_A - Ｒ_D)／Ｒ_D)
ここで、∝_ASAはパワー・アクチュエーター14により供給される追加の操舵角、δ_DICAはドライバー入力操舵角により求められるステアリング・ホイール16の角度変化、Ｒ_Aは追加の操舵角なしの車両操舵比、Ｒ_Dは要求操舵比である。例えば、パワー・アクチュエーター14なしの操舵システムの操舵比が1であり（例えば、ステアリング・ホイール16を5度回転させると、操舵輪12が5度回転する）、要求操舵比は5であり（つまりステアリング・ホイール16の操舵角変化と比較して、操舵輪12の操舵角20の変化が遅くなる）、ステアリング・ホイール16が5度動くとすると、パワー・アクチュエーターが操舵輪12を動かす量は、4度小さくなる。それゆえに、ステアリング・ホイール16が5度動くと、操舵輪12は1度動くことになり、これにより、車両の操舵比を5にすることができる。

図２及び３より、操舵輪12及び非操舵輪13が轍51内にある状態で進行しているとき、車両50は、ドライバーによる操舵入力にもかかわらず、轍51に沿って進行し続けようとする傾向にある。例えば、轍が深く、かつ／又は、車輪12，13と地面との間の摩擦係数が低いならば、車両50を進行軸24に沿って進行させようとして、操舵輪12が角度20に位置付けられる場合がある。しかしながら、車両は、轍51に沿って進行しようとする。

本発明は、そのような轍からの脱出を容易にする制御システムに関する。制御器18は最初に、車両50がオフロードにあるか否かを判定する。上記制御器18は、左右応答及び前後応答の両方を含む車両応答とドライバー入力との間の差に基づいて、車両がオフロードにあるか否かを判定することが出来る。タイヤ及び／又は路面が低摩擦であることを検出することによっても判定することが出来る。また、車両がオフロードにあるか否かを判断するために、ホイール・トラベル（wheel travel）の差が大きいことを検出することも出来る。車両がカーブに遭遇した際に車両がオフロードにあると誤った判定を行うのを避けるために、上記制御器18は、所定時間内に所定回数の大きなホイール・トラベルが起こったときにのみ、車両がオフロードにあるとの判断を行えるようになっている。車両がオフロード状態にあることを判断する方法として他に、車両速度と併せて加速度計を用いることにより、路面粗さを検出する方法もある。さらにまた、全輪駆動車両において、ディファレンシャルのロック状態又は変速機の低速状態が成立しているか否かをセンサーが検出し、それにより、オフロード状態であるか否かを判定することも出来る。低周波の車輪荷重変化、アンチロール・バーの変形量、ACEロジック信号、エア・サスペンション・ロジック、DSC信号、エンジン・マネージメント信号、GPS信号、及び／又はオン／オフ・ロード・スイッチのドライバーによる設定を、オフロード状態が存在するか否かの判断に利用することも出来る。

制御器18によって車両がオフロード状態にあると判断された場合、該制御器18は、車両が轍内に留まっているか否かを判断することになる。上記制御器18は、ドライバーが車両50に進行して欲しいと思っていない経路を車両50が実際に進行しているか否かを判断することにより、「轍にはまっている（stuck in rut）」状態に直面しているか否かを判断する。動作中、センサー60（センサー構成部）は、ドライバー入力パラメーター及び実際の車両動作パラメーターの両方を検出して、上記制御器18が、「轍にはまっている」状態に直面しているか否かを判断する。例えば、制御器18は、車両の実際のヨー角度を、操舵角20などの入力制御パラメーターに基づいて想定されるヨー角度と比較することも出来る。想定されるヨー角度は、操舵角20に基づいて計算することが出来る。車両50の実際のヨー角度は、公知の方法を用いて計算することが出来る。例えば、加速度計を用いてヨー加速度を計測することができ、そのヨー加速度を数学的に積分することで実際のヨー角度を求めることができる。車両が「轍にはまっている」状態かどうかを判断するために、実際の車速などの他の車両動作パラメーターをドライバー入力制御パラメーターと比較することが出来る。

制御器18が、車両がオフロード状態にあって「轍にはまっている」状態であると判定した場合、ヨー角度を増加させる傾向にあるヨー・モーメントを増大させるために、制御器18は、アクティブ操舵システム10及び／又は車両制動システムを作動させて、車両50が轍51から脱出するのを容易にする。例えば、「轍にはまっている」状態にあるときに、制御器18は、ヨー・モーメントを増大させるために、操舵角を図２及び図３に示す20から21へ増大させるための操舵システム10への信号（操舵信号）を生成することが出来る。ドライバーがステアリング・ホイール16を、別の状態では操舵角20となるはずの位置を越えるように、回転させていないとしても、上述のように操舵角が20から21へ増大するようになっている。角度21の大きさは、複数の車両動作パラメーターと旋回状態とに基づいて決定される。例えば、角度21は、最適操舵角のルックアップ・テーブル（look up teble）の中から導くことが出来る。最適操舵角が路面上での車輪12の摩擦係数、車速など動作パラメーターに基づくものとなるように、最適操舵角は、テスト・データなどに基づくものとすることが出来る。

「轍にはまっている」状態が検出されたとき、制御器18は、車両50を轍51から脱出させるようなヨー・モーメントを増大させるために、車両の外側のブレーキを選択的に作動させることが出来る。例えば、図３を参照すると、制御器18は、車両50が轍51にはまっていると判定した場合には、車両50の第一側54のブレーキ55，56に対して、車両50の第二側60のブレーキ57，58へのものよりも大きい制動を行える（大きい制動力を与えられる）ような制動信号を生成する。車両50は、矢印Vによって表される速度で前進しているので、該車両50には、車両50を轍51から脱出させるような矢印Tによって表されるヨー・トルクが発生することになる。

「轍にはまっている」状態が予想されるとき、制御器18は、それ単独又は車両50の第一側54又は第二側60のいずれか一方への選択的な制動と組み合わせて、操舵角の増大又は最適化を行なうことが出来る。制御器18は、「轍にはまっている」状態に直面したときに、操舵入力の増大なしで、選択的な制動を行なうだけ、とすることも出来る。それゆえに、制御器18は、「轍にはまっている」状態であるとの判定に際し、操舵及び制動システムの選択的な制御を利用することが出来る。更に、制御器18は、車両が所定速度未満で進行しているときに、「轍にはまっている」状態の判定を制限することが出来る。また、制御器18が車両操舵及び制動システムを上述の轍脱出態様に従い制御しないように、「轍にはまっている」状態の判定を禁止するようなドライバーのマニュアル操作可能なスイッチを設けることも出来る。また、制御器18が車両が実際に轍内にあると判定しなかった場合でも、轍からの脱出を容易にするために、制御器18をマニュアルで轍脱出モードにするスイッチを設けることも出来る。

前述の記載において、ここに記載されている概念から逸脱することなしに、変形をしてもよいことは当業者には容易に理解されるであろう。そのような変形は、特記されない限り、添付の請求項に包含されると、理解されるべきである。

操舵角がゼロであるときの、本発明に係る操舵システムの一部概略図である。 送舵角が非ゼロであるときの操舵システムの一部概略図である。 本発明に係る車両制御システムを含む車両の概略上面図である。 本発明の車両制御システムの動作を表すフロー・チャートである。

符号の説明

10 アクティブ操舵システム
12 操舵輪
14 アクチュエーター
16 ステアリング・ホイール
18 制御器
46 カプラー
60 センサー

Claims (19)

1. 操舵角を規定する操舵輪及びドライバー入力制御角度を規定するステアリング・ホイールを備えているとともに、さらに、カプラー構成部、アクチュエーター構成部、制御器構成部及びセンサー構成部、を備えており、これらの各構成部は、上記操舵輪のスリップしていない場合の車両ヨーを規定する上記操舵角を、上記制御器構成部がドライバー入力制御角度に応じて変更できるように、互いに接続されていて、上記センサー構成部が車両の実際のヨー角度に対応した信号を上記制御器構成部に対して出力する、アクティブ操舵システムと、
   車両の選択された車輪に対して制動を行うように構成された制動システムと、を備え、
   上記制御器構成部は、少なくとも上記車両ヨー角度及び上記実際のヨー角度に基づいて、上記車両が轍内にあるか否かを判定するように構成されているとともに、上記実際のヨー角度を増大させるようなヨー・トルクを発生させて、上記車両の第一側の車輪に対して第二側よりも大きい制動力を与えるような制動信号を生成するように構成されている、轍からの車両の脱出を容易にするための車両制御システム。
2. 上記制御器構成部は、少なくとも上記車両ヨー角度及び上記実際のヨー角度に基づいて上記操舵角を変更するように構成されている、請求項１に記載の車両制御システム。
3. 上記制御器構成部は、上記操舵輪を轍からの脱出に最適な角度に位置付けるための操舵信号を生成するように構成されている、請求項２に記載の車両制御システム。
4. 上記制御器構成部は、少なくとも上記車両ヨー角度と上記実際のヨー角度との差が所定量よりも大きいか否かに基づいて、上記操舵信号を生成するように構成されている、請求項３に記載の車両制御システム。
5. 上記制御器構成部は、上記車両の第一側に対して第二側よりも大きな制動力を与えるような制動信号を生成する轍脱出モードを規定するように構成されていて、
   上記轍脱出モードのオン／オフをユーザーがマニュアルで切換可能なスイッチを備えている、前記請求項のいずれか一つに記載の車両制御システム。
6. 上記制御器構成部は、少なくとも一つの車両動作パラメーターに基づいて最適操舵角を判定するためにルックアップ・テーブルを用いるように構成されている、前記請求項のいずれか一つに記載の車両制御システム。
7. 車両制御パラメーターを変更するためのドライバーによるマニュアル操作が可能な少なくとも一つの車両制御装置と、
   車両においてヨーの変化が生じるようなヨー・モーメントを該車両に作用させるために、少なくとも一つの車両制御パラメーターを選択的に変更する制御器と、を備え、
   上記制御器は、ドライバーの要求進行方向を車両の実際の進行方向と比較することにより、車両が轍に入っているか否かを判定するように構成されているとともに、轍からの車両の脱出が容易になるようにドライバーの要求進行方向に車両のヨーを変化させるためのヨー・モーメントが生成されるように、少なくとも一つの車両制御パラメーターを変更可能な轍脱出機能を備えている、車両制御システム。
8. 上記少なくとも一つの車両制御装置は、ステアリング・ホイールであり、
   上記制御器により変更される上記少なくとも一つの車両制御パラメーターが、車両のブレーキである、請求項７に記載の車両制御システム。
9. 上記制御器は、上記ヨー・モーメントの少なくとも一部を発生させるために、車両の第一側に対して第二側よりも大きな制動力を与えるような制動信号を生成するように構成されている、請求項８に記載の車両制御システム。
10. 上記ヨー・モーメントの少なくとも一部を生成するために、車両の操舵角を変更するアクティブ操舵システムを備えている、請求項７乃至９のいずれか一つに記載の車両制御システム。
11. 上記制御器は、上記車両が轍内にあると判定した際に、少なくとも上記車両の速度に基づいて上記少なくとも一つの制御パラメーターを制御するように構成されている、請求項７乃至10のいずれか一つに記載の車両制御システム。
12. 上記制御器は、上記車両の速度が所定値未満のときに、上記轍脱出機能を利用しないように構成されている、請求項11に記載の車両制御システム。
13. 上記制御器は、車輪がスリップしているか否かを判定し、当該スリップ量を低減するために、当該車輪に供給される動力を制御する、請求項７乃至12のいずれか一つに記載の車両制御システム。
14. シャシー、パワートレイン及び車両制御システムを有する自動車であって、
    上記シャシーは、操舵角を規定する少なくとも一つの操舵輪を含み、
    上記パワートレインは、エンジン及び該エンジンに結合された変速機を含み、
    上記車両制御システムは、制御器、該制御器にそれぞれ接続されたアクティブ操舵システム及び制動システム、を含み、
    上記アクティブ操舵システムは、操舵角を規定する操舵輪及びドライバー入力制御角を規定するステアリング・ホイールを含むとともに、更に、カプラー構成部、アクチュエーター構成部、制御器構成部及びセンサー構成部を含み、これらの各構成部は、上記操舵輪のスリップしていない場合の車両ヨーを規定する上記操舵角を、上記制御器構成部がドライバー入力制御角度に応じて変更できるように、互いに接続されていて、
    上記センサー構成部は、車両の実際のヨー角度に対応する信号を上記制御器構成部に対して出力するように構成されており、
    上記制御器構成部は、上記車両が轍内にあるか否かを判定するとともに、上記車両におけるヨーの変化を生じさせるようなヨー・モーメントを発生させて、それにより上記車両が轍から脱出可能になるように、上記アクティブ操舵システム及び上記制動システムを制御するように構成されている、自動車。
15. 上記操舵角は、上記想定される車両ヨーに対応していて、
    上記制御器構成部は、上記想定される車両ヨーと上記車両の実際のヨーとの差が所定量よりも大きいときに、上記車両が轍内にあると判定するように構成されている、請求項14に記載の自動車。
16. 上記制御器構成部は、上記車両の速度が所定値未満であるときにのみ、上記車両が轍内にあると判定するように構成されている、請求項14又は15に記載の自動車。
17. 上記制御器構成部は、上記車両の第一側に対して上記車両の第二側よりも大きな制動力を与えるように上記制動システムを制御するように構成されている、請求項14乃至16のいずれか一つに記載の自動車。
18. 上記制御器構成部は、少なくとも一つの環境パラメーターに基づいて、轍を脱出するための最適角度に上記操舵輪を設定するように構成されている、請求項14乃至17のいずれか一つに記載の自動車。
19. 上記少なくとも一つの環境パラメーターは、上記車両の車輪と接触する土の摩擦係数である、請求項18に記載の自動車。

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