JP2007076399A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 旋回時、車体の向きにかかわらず乗員に与える加速感を低減することができる車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】 ステアリング操作量に応じて、目標旋回半径Rを演算する目標旋回半径演算手段（ステップS2）と、目標車体角αを演算する目標車体角演算手段（ステップS6）と、目標車体角αの回転中心である目標自転中心位置O'^*を、車両の乗員位置よりも旋回外側の位置に設定する目標自転中心位置設定手段（ステップS8）と、目標旋回半径Rと目標自転中心位置O'^*とに基づいて、目標旋回中心位置P"を演算する目標旋回中心位置演算手段（ステップS9）と、目標旋回中心位置P"を実現する前後輪の舵角指令値を演算する前後輪舵角演算手段（ステップS10）と、を備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、少なくとも前後輪の転舵角を独立に制御可能な装置を備え、車両の進行方向に対する車体の向きである車体角を任意に設定可能な車両用操舵装置の技術分野に属する。

従来の車両用操舵装置としては、例えば、走行中に車両の進行方向を一定としたまま車体の向きを変更する、または車体の向きを不変としたまま車両の進行方向を変更する、というように、車両の進行方向とは独立して任意の方向に車体の向きを制御する技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開２０００−４３７４８号公報 特開２００１−３３４９５１号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、旋回時における車体の自転運動の回転中心を、常に固定点としているため、左旋回と右旋回とで車両が同じ速度、同じ旋回半径、同じ自転中心位置周りに同一目標車体角回転した場合、左右の旋回で乗員が体感するヨーレイトは等しいが、車両の自転に伴う体感横加速度と体感前後加速度が左右の旋回で異なるという問題があった。

例えば、仮に運転者の位置が車両右側で車体の向きを旋回内側に傾けるように設定した場合、運転者は右旋回時には自転量が少ないため減速感を生じ、左旋回時には自転量が大きいため加速感を生じる。反対に助手席では右旋回時に加速感を生じ、左旋回時には減速感を生じる。特に、自転運動により旋回時に大きな加速感を生じることは、運転者に違和感を与えるおそれがある。

本発明は、上記従来技術が抱える問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、旋回時、車体の向きにかかわらず乗員に与える加速感を低減することができる車両用操舵装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明では、
少なくとも前後輪の転舵角を独立に制御可能な装置を備え、車両の進行方向に対する車体の向きである車体角を任意に設定可能な車両用操舵装置において、
ステアリング操作量に応じて、目標旋回半径を演算する目標旋回半径演算手段と、
前記車体角の目標値である目標車体角を演算する目標車体角演算手段と、
前記目標車体角の回転中心である目標自転中心位置を、車両の乗員位置よりも旋回外側の位置に設定する目標自転中心位置設定手段と、
前記目標旋回半径と前記目標自転中心位置とに基づいて、目標旋回中心位置を演算する目標旋回中心位置演算手段と、
前記目標旋回中心位置を実現する前後輪の舵角指令値を演算する前後輪舵角演算手段と、
を備えることを特徴とする。

よって、本発明にあっては、目標車体角の回転中心である目標自転中心位置が、車両の乗員位置よりも旋回外側の位置に設定される。すなわち、自転中心位置を車両の乗員位置よりも旋回外側の位置に移動させることで、車体の向きや旋回方向にかかわらず、常に自転に伴う減速感を運転者に与え、旋回時の前方加速感を低減しようとするものである。この結果、旋回時、車体の向きにかかわらず乗員に与える違和感を低減できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１〜３に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は、実施例１の車両用操舵装置の全体構成図であり、実施例１の車両用操舵装置は、ステアリングホイール１と、前輪２，２と、後輪３，３と、転舵角アクチュエータ４と、車輪速センサ５と、駆動モータ６とを備え、ステアリングホイール１と前輪２，２とが機械的に切り離された、いわゆるステア・バイ・ワイヤシステムである。

操舵角センサ７は、エンコーダやポテンショメータなどを用い、運転者のステアリングホイール操作量を検出する。車体速センサ８は、各車輪速センサ５から得られる各車輪速から車体速を検出する。転舵角センサ９は、各転舵角アクチュエータ４の作動角度に基づいて、各車輪の転舵角を検出する。ヨーレイトセンサ１０は、車両のヨーレイトを検出する。

操舵角センサ７、車体速センサ８、転舵角センサ９およびヨーレイトセンサ１０の検出信号は、インプット／アウトプット（I/O）インターフェース１１を介して、コントロールユニット１２に入力される。

コントロールユニット１２は、各センサの検出信号に基づいて、各車輪の舵角指令値および駆動指令値を演算し、I/Oインターフェース１１を介して、転舵コントローラ１３に舵角指令値、駆動コントローラ１４に駆動指令値をそれぞれ出力する。

転舵コントローラ１３は、各舵角指令値に基づいて各転舵角アクチュエータ４を駆動し、４輪の転舵角をそれぞれ独立に制御する。駆動コントローラ１４は、各駆動指令値に基づいて各駆動モータ６を駆動し、４輪の駆動力をそれぞれ独立に制御する。

図２は、実施例１車両の平面図である。図２において点Oは、車両固定座標原点である。実施例１では、車両固定座標原点Oとして、ホイールベースとトレッド幅を２等分した線の交点を選択している。

以下の説明では、車両固定座標系から任意の点を自転中心として選び、自転中心が地面座標系で旋回移動するような動きを「公転」、その公転に加えてさらに車両固定座標原点が自転中心回りに車体が回転するような動きを「自転」と呼ぶ。

［前後輪舵角制御処理］
図３は、実施例１のコントロールユニット１２で実行される前後輪舵角制御処理の流れを示すフローチャートで、以下、各ステップについて説明する。なお、図３において、ステップS1は操舵角センサ７、ステップS2は操舵角に応じて目標旋回半径を演算する目標旋回半径演算手段、ステップS3は車輪速センサ５および転舵角センサ９、ステップS4は車体速センサ８、ステップS5は車体の向きに関して左右どちらの旋回を行っているか判断する左右旋回判断手段、ステップS6は目標車体角を演算する目標車体角演算手段、ステップS7は目標車体角から目標車体角速度を演算する目標車体角速度演算手段、ステップS8は目標車体角の回転中心となる目標自転中心位置を設定する目標自転中心位置設定手段、ステップS9は目標旋回半径、目標車体角、目標車体角速度、自転中心位置に基づいて旋回中心位置を変更する目標旋回中心位置演算手段、ステップS10は目標旋回中心位置と目標自転中心位置とに基づいて、前後輪舵角指令値を演算する前後輪舵角演算手段に相当する。

ステップS1では、ステアリングホイール１の操舵角δを検出し、ステップS2では、操舵角δに応じた初期の旋回中心半径R（目標旋回中心）を算出する。一例として、図４に運転者が操作するステアリングホイール１から旋回中心半径Rを設定する方法を示す。

車両横方向をxとし車両右側を正にとる。また、車両前後方向をyとし車両前方を正とする。図４の点Pが車両旋回中心であり、旋回中心y座標は、車両の後輪車軸上等にあらかじめ設定しておく。運転者が操作するステアリングホイール１の回転角度をステアリングギア比で割った角度を転舵角δとする。転舵角δは前輪車軸中央の点から車両固定座標y方向が成す角である。転舵角δに直角な線上と旋回中心y座標の交点を旋回中心x座標として算出する。旋回中心x,yから車両固定座標原点までの距離である旋回半径Rを算出する。したがって、直進時からステアリングホイール１を右に回転させると旋回中心x座標は右方向無限大から0に近づく。逆にステアリングホイール１を左に回転させると旋回中心x座標は左方向無限大から0に近づくこととなる。

ステップS3では、転舵角センサ９から各車輪の転舵角と、車輪速センサ５から各車輪の車輪速が出力され、ステップS4では、計測された各車輪の転舵角(δ_fl,δ_fr,δ_rl,δ_rr)から車輪の方向を得て各車輪速度(V_fl,V_fr,V_rl,V_rr)を平均化し、下記の式(1)より近似的に車体速Vを求める。
V＝(δ_fl・V_fl＋δ_fr・V_fr＋δ_rl・V_rl＋δ_rr・V_rr)/4 …(1)

ステップS5では、車両が左右どちらに旋回を行っているか判断する。左右の旋回の判断はステアリングホイール１の入力から行ってもよいし、ヨーレイトセンサ１０などの検出器を用いて行ってもよい。

ステップS6では、目標車体速αを設定する。目標車体角αは任意に設定することができる。

ステップS7では、目標車体角αを時間微分し、目標車体角速度dα/dtを算出し、ステップS8では、目標車体角速度dα/dtから、目標自転中心位置O'^*が設定される。実施例１では、目標自転中心位置O'^*を、原点Oを基準とする左右対称位置の旋回外側に設定する。

ステップS9では、車体速Vの座標変換により、ステップS8にて設定された目標自転中心位置O'^*の速度V'を求める。このとき、目標自転中心位置O'^*の進行方向を変えずに目標車体角速度dα/dtを得るには、図５に示すように、自転中心位置O'と旋回中心位置Pとを結ぶ直線上において、下記の式(2)で示す旋回半径R'とすることで、自転中心位置O'の速度ベクトルを変えずに車体角速度のみ増減することが可能になる。
R'＝1/(1/R＋1/V'・dα/td) …(2)
ここで、Rは希望する目標旋回半径であり、V'は自転中心位置O'の速度、dα/dtは目標車体角から得た目標車体角速度である。

図６で示すように、車体座標系が初期の座標系よりもα回転した分を座標変換し、最終的な目標旋回中心位置P"が計算される。

ステップS10では、目標旋回中心位置P"を幾何学的に満足するように各車輪の舵角指令値を算出する。図７は目標旋回中心位置P"と各車輪の転舵角との関係を表す図であり、各車輪の転舵角は点Pと各車輪の転舵中心とを結ぶ直線と直角を成すように演算され、処理を終了する。

次に、作用を説明する。
［自転中心位置固定の問題点］
通常、従来の車両用操舵装置では、図８に示すように、車両の自転中心O'を車両固定座標原点Oに固定している。自転中心位置O'と運転者位置が距離Lを有する場合、距離Lに対し自転により生じる角加速度d²α/dt²を乗じたL・d²α/dt²が、運転者の体感する加速度となって現れる。

以下、上記従来技術のシミュレーション結果を示す。図９は、シミュレーションを行う際の車両入力であり、操舵角入力、一定車速13[km/h](3.6[m/sec])で旋回方向内側を向くように目標車体角を与えた際の車両軌道を図１０に示す。また運転者の位置は車両固定座標Oからx方向0.355[m]、y方向-0.12[m]の位置と設定して計算を行った。図１１は、運転者が体感するヨーレイト、横加速度、前後加速度であり、図１１に示すように、左旋回において運転者が自転運動に伴う加速感を受けていることが確認できる。

［自転中心位置可変作用］
これに対し、実施例１の車両用操舵装置では、図３のステップS8で設定する目標自転中心位置O'^*を、乗員位置よりも旋回外側の位置に設定する。すなわち、左旋回時には、自転中心位置O'が運転者よりも旋回外側の位置に設定され（図１２(a)）、右旋回時には、自転中心位置O'が助手席乗員よりも旋回外側の位置に設定される（図12(b)）。これにより、運転者に与える加速感を低減することができる。なお、自転中心位置O'は、車両の旋回外側に配置するほど同じ目標車体角αに対して必要な前後輪転舵角は大きくなるが、後方加速度である減速感を大きくすることができる。

図１３，１４は実施例１のシミュレーション結果であり、図１５はこの動作を行う際に転舵コントローラ１３の転舵指令値を示す。車両の入力としては図９に示した従来技術の場合と同様の操舵角入力、車速、目標車体角を与えている。また、自転中心位置O'は、一例として車両固定座標から左旋回時はx方向0.72[m],y方向0.0[m]に設定した。

次に、効果を説明する。
実施例１の車両用操舵装置にあっては、以下に列挙する効果を奏する。

(1) 各車輪の転舵角を独立に制御可能な転舵角アクチュエータ４を備え、車両の進行方向に対する車体の向きである車体角を任意に設定可能な車両用操舵装置において、ステアリング操作量に応じて、目標旋回半径Rを演算する目標旋回半径演算手段（ステップS2）と、目標車体角αを演算する目標車体角演算手段（ステップS6）と、目標車体角αの回転中心である目標自転中心位置O'^*を、車両の乗員位置よりも旋回外側の位置に設定する目標自転中心位置設定手段（ステップS8）と、目標旋回半径Rと目標自転中心位置O'^*とに基づいて、目標旋回中心位置P"を演算する目標旋回中心位置演算手段（ステップS9）と、目標旋回中心位置P"を実現する前後輪の舵角指令値を演算する前後輪舵角演算手段（ステップS10）と、を備える。よって、旋回時、車体の向きにかかわらず乗員に与える違和感を低減できる。

(2) 目標自転中心位置設定手段は、目標自転中心位置O'^*を、原点Oを基準とする左右対称位置の旋回外側に設定するため、原点Oから左右両方に乗員が搭乗している場合、すべての乗員に減速度を与えることができる。

実施例２は、乗員が運転者のみの場合と、乗員が複数存在する場合とで、自転中心位置O'を切り替える例である。なお、構成については実施例１と同様であるため、図示並びに全体構成の説明は省略する。

次に、作用を説明すると、実施例２では、乗員の位置に応じて、目標自転中心位置O'^*を、運転者の位置を基準とする左右対称位置の旋回外側に設定する「運転者中心モード」と、車両上の任意の原点0または重心点を基準とする左右対称位置の旋回外側に設定する「原点中心モード」とで切り替える。実施例２では、運転者が乗員位置を判断し、図外のモード選択スイッチ（モード選択手段）等を操作することで、コントロールユニット１２により、「運転者中心モード」と「原点中心モード」との切り替えが行われる。

すなわち、「運転者中心モード」では、図１６に示すように、運転者位置を基準とする左右対称位置（図のハッチング部分）に自転中心位置O'が設定される。「原点モード」では、図１７に示すように、車両固定座標原点Oを基準とする左右対称位置（図のハッチング部分）に自転中心位置O'が設定される。

次に、効果を説明する。
実施例２の車両用操舵装置にあっては、実施例１の効果(1)，(2)に加え、以下に列挙する効果を奏する。

(3) 目標自転中心位置設定手段は、目標自転中心位置O'^*を、運転者の位置を基準とする左右対称位置の旋回外側に設定するため、原点Oから左右一方に運転者のみが搭乗している場合、運転者を中心として左右同じように減速感を与えることができる。

(4) 目標自転中心位置設定手段は、「原点中心モード」と「運転者中心モード」とを切り替え可能であるため、運転者のみが搭乗している場合と他の乗員が搭乗している場合とで、より好ましいモードを選択することができる。

(5) 運転者の入力操作により「原点中心モード」と「運転者中心モード」の一方を選択するモード選択スイッチを備え、目標自転中心位置設定手段は、モード選択スイッチのモード選択状態に応じて、「原点中心モード」と「運転者中心モード」とを切り替えるため、モードの切り替え制御をより簡便な構成で実現できる。

実施例３では、コントロールユニット１２において、乗員位置を判断し、乗員配置に応じて「原点中心モード」と「運転者中心モード」とを自動的に切り替える。乗員位置の判定は、各座席のシートクッションに埋設した感圧センサ、乗員を検出する赤外線センサ、あるいはカメラの画像処理等を用いて行う。

これにより、実施例３では、運転者が手動でモード切り替えを行う手間を省くことができるため、実施例２に対し、運転者の負担を軽減することができる。

次に、効果を説明する。
実施例３の車両用操舵装置にあっては、実施例１の効果(1)，(2)、実施例２の効果(3)、(4)に加え、以下に列挙する効果を奏する。

(6) 目標自転中心位置設定手段は、乗員位置に応じて「原点中心モード」と「運転者中心モード」とを切り替えるため、モード切り替えの煩わしさを解消しつつ、乗員配置に応じた最適な目標自転中心位置O'^*を設定することができる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１〜３に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は、実施例１〜３に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。

実施例１では、４輪の転舵角をそれぞれ独立に制御可能な車両用操舵装置を例に示したが、本発明は、前後輪の転舵角をそれぞれ独立に制御可能な4WSシステムにも適用できる。また、実施例１では、ステア・バイ・ワイヤシステムを用いたが、ステアリングホイール１と前輪とが機械的連結され、運転者が操作するステアリングホイールの角度と前輪の転舵角を変化させることができるフロント・アクティブ・ステアシステムにも適用できる。

実施例１では、車両固定座標原点を基準として目標自転中心位置を設定する例を示したが、車両の重心点を基準としてもよい。また、「原点モード」では、複数乗員の中心点を目標自転中心位置の基準としてもよい。

実施例１の車両用操舵装置の全体構成図である。 実施例１車両の平面図である。 実施例１のコントロールユニット１２で実行される前後輪舵角制御処理の流れを示すフローチャートである。 実施例１の目標旋回半径Rの算出方法を示す説明図である。 実施例１の目標車体角速度dα/tdの算出方法を示す説明図である。 実施例１の目標旋回中心位置P"の算出方法を示す説明図である。 実施例１の目標旋回中心位置P"と各車輪の転舵角との関係を表す図である。 従来技術の自転中心位置O'を示す図である。 シミュレーションを行う際に入力したステアリング角、車速、目標車体角を示す図である。 従来技術のシミュレーションによる車両移動軌跡を示す図である。 従来技術のシミュレーションによるヨーレイト、横加速度、前後加速度を示す図である。 実施例１の自転中心位置設定方法を示す説明図である。 実施例１のシミュレーションによる車両移動軌跡を示す図である。 実施例１のシミュレーションによるヨーレイト、横加速度、前後加速度を示す図である。 実施例１により算出される各車輪の転舵指令値を示す図である。 実施例２の運転者中心モードにおける自転中心位置設定方法を示す説明図である。 実施例２の原点中心モードにおける自転中心位置設定方法を示す説明図である。

符号の説明

１ ステアリングホイール
２，２ 前輪
３，３ 後輪
４ 転舵用アクチュエータ
５ 車輪速センサ
６ 駆動モータ
７ 操舵角センサ
８ 車体速センサ
９ 転舵角センサ
１０ ヨーレイトセンサ
１１ インプット／アウトプットインターフェース
１２ コントロールユニット
１３ 転舵コントローラ
１４ 駆動コントローラ

Claims (7)

1. 少なくとも前後輪の転舵角を独立に制御可能な装置を備え、車両の進行方向に対する車体の向きである車体角を任意に設定可能な車両用操舵装置において、
   ステアリング操作量に応じて、目標旋回半径を演算する目標旋回半径演算手段と、
   前記車体角の目標値である目標車体角を演算する目標車体角演算手段と、
   前記目標車体角の回転中心である目標自転中心位置を、車両の乗員位置よりも旋回外側の位置に設定する目標自転中心位置設定手段と、
   前記目標旋回半径と前記目標自転中心位置とに基づいて、目標旋回中心位置を演算する目標旋回中心位置演算手段と、
   前記目標旋回中心位置を実現する前後輪の舵角指令値を演算する前後輪舵角演算手段と、
   を備えることを特徴とする車両用操舵装置。
2. 請求項１に記載の車両用操舵装置において、
   前記目標自転中心位置設定手段は、前記目標自転中心位置を、車両上の任意の原点または重心点を基準とする左右対称位置の旋回外側に設定することを特徴とする車両用操舵装置。
3. 請求項１に記載の車両用操舵装置において、
   前記目標自転中心位置設定手段は、前記目標自転中心位置を、運転者の位置を基準とする左右対称位置の旋回外側に設定することを特徴とする車両用操舵装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
   前記目標自転中心位置設定手段は、前記目標自転中心位置を、車両上の任意の原点または重心点を基準とする左右対称位置の旋回外側に設定する原点中心モードと、前記目標自転中心位置を、運転者の位置を基準とする左右対称位置の旋回外側に設定する運転者中心モードとを切り替え可能であることを特徴とする車両用操舵装置。
5. 請求項４に記載の車両用操舵装置において、
   運転者の入力操作により前記原点中心モードと前記運転者中心モードの一方を選択するモード選択手段を備え、
   前記目標自転中心位置設定手段は、前記モード選択手段のモード選択状態に応じて、前記原点中心モードと前記運転者中心モードとを切り替えることを特徴とする車両用操舵装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の車両用操舵装置において、
   前記目標自転中心位置設定手段は、乗員位置に応じて前記原点中心モードと前記運転者中心モードとを切り替えることを特徴とする車両用操舵装置。
7. 少なくとも前後輪の転舵角を独立に制御可能な装置を備え、車両の進行方向に対する車体の向きである車体角を任意に設定可能な車両用操舵装置において、
   ステアリング操作量に応じて、目標旋回半径を演算し、
   前記車体角の目標値である目標車体角を演算し、
   前記目標車体角の回転中心である目標自転中心位置を、車両の乗員位置よりも旋回外側の位置に設定し、
   前記目標旋回半径と前記目標自転中心位置とに基づいて、目標旋回中心位置を演算し、
   前記目標旋回中心位置を実現する前後輪の舵角指令値を演算することを特徴とする車両用操舵装置。

Images