JP2007316299A - 車両運転模擬システムの操舵反力発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両運転模擬システムの操舵反力発生装置において、ハンドル操作（操舵速度）に対応する減衰力が発生させることにより、ハンドルの操舵方向の反転時（ステアリングの切り返し時）や遊びを含む中立付近においても、実車運転時と変わらぬ操舵反力を再現できるようにする。
【解決手段】ハンドルの操舵角を検出する操舵角センサ７と、車両運転模擬システムが模擬する車両運動状態およびハンドルの操舵角に基づいて操舵反力を求める手段１３と、この操舵反力に応じたトルクを発生してハンドルへ伝達する操舵反力出力手段４，１４と、ハンドルの操舵角の変化に減衰力を与えるダンパ６と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両運転模擬システムの操舵反力発生装置に関する。

車両運転模擬システムは、車両の運転操作を擬似的に体験させるものであり、ハンドル操作に伴う操舵反力を再現するための操舵反力発生装置が知られている（特許文献１〜特許文献３）。
特開２００５−１１６９９９号 特開２００１−３５１０５８号 特開２００１−０１３８６５号

このような操舵反力発生装置においては、サーボモータを用いてその発生トルクをハンドル角度に応じて位置制御することにより、操舵反力を発生させるものがあるが、ハンドルの操舵方向の反転時（ステアリングの切り返し時）や遊びを含む中立付近のハンドル操作に対応する操舵反力を再現するのが難しい。ハンドルの回転方向が反転すると、サーボモータの発生トルクにより、ハンドルの回転が付勢されたり、遊びを含む中立状態へのハンドル操作の過程においては、サーボモータの発生トルクが０となる中立範囲が把握しづらく、違和感を与えかねないのである。

この発明は、このような課題を解決するための有効な手段の提供を目的とする。

第１の発明は、車両運転模擬システムの操舵反力発生装置において、ハンドルの操舵角を検出する操舵角センサと、車両運転模擬システムが模擬する車両運動状態およびハンドルの操舵角に基づいて操舵反力を求める手段と、この操舵反力に応じたトルクを発生してハンドルへ伝達する操舵反力出力手段と、ハンドルの操舵角の変化に減衰力を与えるダンパと、を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明に係る車両運転模擬システムの操舵反力発生装置において、ダンパは、減衰力可変手段と、ハンドルの操舵角および車両運転模擬システムが模擬する車両運動状態に基づいて減衰力可変手段を制御する手段と、を備えたことを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明に係る車両運転模擬システムの操舵反力発生装置において、減衰力可変手段を制御する手段は、ハンドルの操舵角と操舵角速度と車両運転模擬システムが模擬する車両運動状態の車速とから目標ダンパ減衰力を設定する手段と、目標ダンパ減衰力を発生させるべく減衰力可変手段を制御する手段と、を備えることを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明に係る車両運転模擬システムの操舵反力発生装置において、目標ダンパ減衰力を設定する手段は、車両運転模擬システムが模擬する車両運動状態の車速が０のときにハンドルの操舵角に対応する目標ダンパ減衰力を規定する特性マップを格納する手段と、を備えることを特徴とする。

第５の発明は、第３の発明に係る車両運転模擬システムの操舵反力発生装置において、目標ダンパ減衰力を設定する手段は、車両運転模擬システムが模擬する車両運動状態の車速が０でないときに車速とハンドルの操舵角とから目標ダンパ減衰力を規定する特性マップを格納する手段と、ハンドルの操舵方向が操舵反力出力手段の発生トルクの作用方向と一致するか否かの判定を行う手段と、この判定が肯定のときの補正値を規定する特性マップを格納する手段と、同じく判定が否定のときの補正値を規定する特性マップを格納する手段と、これらの補正値を選択的に加えて目標ダンパ減衰力の設定を補正する手段と、を備えることを特徴とする。

第１の発明〜第５の発明においては、車両運転模擬システムが模擬する車両運動状態およびハンドルの操舵角に対応する操舵反力を再現させることができる。また、ダンパがハンドルの操舵角の変化に減衰力を与えるため、ステアリングの回転速度を適度に緩和することができる。これらの結果、ハンドルの操舵方向の反転時（ステアリングの切り返し時）や遊びを含む中立付近においても、ハンドル操作（操舵速度）に対応する減衰力が加わるため、実車運転時と変わらぬ操舵反力を再現することが可能となる。

この発明の実施形態を添付の図に基づいて説明する。

図１は、車両運転模擬システムの操舵反力発生装置の概要構成図であり、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。

ハンドル１はステアリングシャフト２を介してギヤボックス３の入力軸と連結される。ギヤボックス３は、２つの出力軸を備えるものであり、各出力軸とステアリングシャフト２側の入力軸との間を連結する歯車機構が介装される。操舵反力を発生させるアクチュエータとしてサーボモータ４が設けられ、その回転軸はギヤボックス３の一方の出力軸とシャフト５を介して連結される。サーボモータ４は、モータアンプ１４の出力によって駆動される。後に詳述するが、コントローラ１３は、ハンドル１の操舵角（ステアリング角度）および車両運転模擬システムが模擬する車両運転状態に基づいて、モータアンプ１４の出力を増減することにより、サーボモータ４の発生トルクを制御する。

ハンドル１の操舵速度（ステアリングシャフト２の回転速度）を緩和するダンパ（減衰力発生手段）として回転式油圧緩衝器６が設けられ、その回転軸はギヤボックス３のもう一方の出力軸と連結される。ダンパ６は、減衰力可変手段が備えられ、ハンドル１の操舵角および車両運転模擬システムが模擬する車両運転状態の車速に基づいて減速力可変手段を制御する機能がコントローラ１３に設定される。

７はハンドル１の操舵角（ステアリング角度）を検出する操舵角センサであり、図２に示すように、ステアリングシャフト２の下段シャフト２ｃの回転角度を検出するように配置される。ステアリングシャフト２は、ハンドル側の上段シャフト２ａと、ギヤボックス側の下段シャフト２ｃと、これらの間を連結する中段シャフト２ｂと、から構成される。９は等速ジョイントである。

図４は、ダンパ６の構成を例示する説明図であり、円筒形のハウジング６ａと、その中心を貫通する回転軸６ｂと、回転軸６ｂの外周とハウジング６ａの内周との間を仕切る隔壁６ｄと、隔壁６ｄと共にハウジング６ａの内部を２つの室に仕切るベーン６ｃと、を備える。隔壁６ｄはハウジング６ａの内部に固定され、ベーン６ｃはハウジング６ａの内部を回転軸６ｂと一体に回転する。ベーン６ｃおよび隔壁６ｄに２つの室を連通するオリフィス６ｅが設定され、回転軸６ｂと一体にベーン６ｃが回転すると、容積が収縮する側の室から容積が拡大する側の室へ油（例えば、シリコンオイル）がオリフィス６ｅを通して流れ、その油の流れにオリフィス６ｅが抵抗を与えることにより、ベーン６ｃ（回転軸）の回転速度が緩和されるのである。

ダンパ６の減衰力可変手段として、２つの室を連絡する通路６ｆと、通路６ｆの開度を調整するバルブ６ｇと、バルブ６ｇを目標ダンパ減衰力に相当する開度に駆動するステッピングモータ６ｈと、が備えられる。バルブ６ｇの開度が大きくなると、実質的なオリフィス径が大きくなり、ダンパ６の減衰力特性が低めに設定される一方、バルブ開度が小さくなると、実質的なオリフィス径が小さくなり、ダンパ６の減衰力特性が高めに設定される。

図３のように、ダンパ６の回転軸は、ギヤボックス３の出力軸３とガイド１０を介して連結（スプライン嵌合）される。１２は操舵反力発生装置の基板、１１ａはダンパ６を基板１２に取り付けるブラケット、１１ｂはギヤボックス３を基板１２に固定するステイ、７は操舵角センサ、を表示する。

図５は、減衰力可変手段を制御する機能に係るブロック図であり、ステアリング軸角速度演算手段２０と、ステアリング部減衰力演算手段２１と、油圧弁稼働部制御手段２２と、が備えられる。ステリング軸角速度演算手段２０は、操舵角センサ７の検出信号（ステアリング角度）から単位時間あたりのステアリング角度の変化量（ステアリング軸角速度）を算出する。ステアリング部減衰力演算手段２１は、ステアリング角度，ステアリング軸角速度，車速，サーボモータ４の発生トルク（測定トルク）に基づいて、正常時の目標ダンパ減衰力を算出する一方、モータ運転停止要求信号を受信すると、目標ダンパ減衰力を最大値（バルブ６ｈの全閉により実質的なオリフィス径を最小値）に設定する。油圧弁稼働部制御手段２２は、図中の特性αから目標ダンパ減衰力に対応する制御電圧を求め、これを操舵回転減衰力としてダンパ出力を制御する。

このような操舵反力発生装置においては、ハンドル１の操舵角および車両運転模擬システムが模擬する車両運転状態に基づいて、サーボモータ４の発生トルクを制御することにより、ハンドル１への操舵反力を再現することができる。また、ハンドル１の操舵角および車両運転模擬システムが模擬する車両運転状態の車速に基づいて、ダンパ６の発生減衰力を制御することにより、ステアリングの回転速度を適度に緩和することができる。その結果、ハンドル１の操舵方向の反転時（ステアリングの切り返し時）や遊びを含む中立付近においても、ハンドル操作（操舵速度）に対応する減衰力が加わるため、実車運転時と変わらぬ操舵反力を再現することが可能となる。

図６は、操舵反力発生装置の制御ブロックを示すものである。

起動信号検出手段２５は、車両運転模擬システムの起動によって作動し、サーボモータやモータアンプなどを始動させて初期化を行う。装置異常検出手段２６は、車両運転模擬システムの各装置状態を監視し、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３１へ送信する。モータ速度異常判定手段３６は、モータ速度測定手段３７が検出するサーボモータ４の回転速度を監視し、所定の速度範囲を超えると、モータ異常判定手段３１へモータ速度異常信号を送信する。モータ異常判定手段３１は、非常停止信号またはモータ速度異常信号を受信すると、操舵反力出力手段３３および目標操舵回転速度判定手段１９へモータ運転停止要求信号を出力する。

モータ／装置部慣性算出手段２８は、サーボモータ４の慣性および装置の回転部の慣性から操舵系の全慣性を算出する。モータトルク補正算出手段２９は、この全慣性と実トルク測定手段３５からのトルク測定値とから、後述する操舵トルクに対する補正値を算出する。実トルク測定手段３５は、トルクセンサ８の検出信号からトルク測定値（実トルク）を算出する。

タイヤ転舵時回転トルク算出手段２７は、操舵角センサ７が検出するステアリング角度と車両運転模擬装置が模擬する運転状態（車速，タイヤ回転、タイヤ接触面摩擦係数，タイヤ接触面傾斜角度，タイヤ接触面荷重，タイヤ回転時慣性）とから、タイヤ転舵時のキングピン回りの回転トルクを算出する。操舵トルク算出手段３０は、タイヤ転舵時回転トルクとパワーステアリングポンプの動作出力トルクとステアリング系の摩擦など機械損出分のトルクロスとの合算値を操作トルクとしてモータトルク値算出手段３２へ送信する。

モータトルク値算出手段３２は、この操作トルクとモータトルク値補正算出手段２９からの補正トルクとの合算値をトルク指令信号として操舵反力出力手段３３へ送信する。操舵反力出力手段３３は、トルク指令信号とモータ要求回転速度信号とから決定されるモータ出力（実トルク）を出力する一方、モータ異常判定手段３１から停止要求を受けると、サーボモータ４の停止を指令する。３４はモータ制御状態信号に基づいて運転状態を表示する手段であり、モータ制御状態が正常であれば、モータ運転許可信号をモータ異常判定手段３１へ送信する。

目標操舵回転速度判定手段１９は、ステアリング角度と車速とサーボモータの発生トルク（実トルク）とから目標操作回転速度（目標ダンパ減衰力）を求め、これに対応するバルブ開度信号（油圧弁制御信号）を操舵回転減衰力出力手段２２へ送信する一方、モータ異常判定手段から停止要求を受けると、バルブ全閉（バルブ開度＝０％）を指令する。なお、目標操舵回転速度判定手段１９は、ステアリング軸角度演算手段２０（図５、参照）とステアリング減衰力演算手段２１（図５、参照）とから構成される。

図７は、車両運転模擬システムにおいて、操作反力発生装置の位置づけを説明する概要図である。

図８は、ステアリング減衰力演算手段の制御内容を説明するフローチャートである。S101においては、車両運転模擬システムの起動に伴ってダンパの初期化を行う。ハンドル位置が中立かつ車両が停止の装置状態に相当する油圧弁制御部（図５、参照）への初期指令値を決定して制御信号を出力する。S102においては、各動作状態（ハンドルの操舵角，ステアリング軸角速度，サーボモータの発生トルク，車速など）を検出する。

S103においては、模擬運転の停止信号が入力かどうかを判定する。S104においては、モータ強制信号または異常信号があるかどうかを判定する。S103の判定またはS104の判定がyesのときは、S115へ進み、目標ダンパ減衰力を最大値（バルブ開度０％）に設定する。その後、S117において、システムの終了処理（電源のOFF等）を行う。S103の判定がyesかつS103の判定がyesのときは、S105へ進み、車速が０かどうかを判定する。

S105の判定がyesのときは、S106へ進み、ステアリング角度が中立範囲（例えば、−５°〜＋５°）内かどうかを判定する。S106の判定がyesのときは、図９のマップの特性βからステアリング角度に対応する値を求め、これを目標ダンパ減衰力に設定する一方、S106の判定がnoのときは、図９マップ特性δ、またはγからステアリング角度に対応する値を求め、これを目標ダンパ減衰力に設定する。S105の判定がnoのときは、S109へ進み、ステアリング軸角速度が閾値以下かどうかを判定する。閾値は、図６のモータ速度異常判定手段３７において、異常か否かの判定基準値に対応する値に設定される。

S109の判定がyesのときは、S110へ進み、図１０マップから車速に対応する特性θ（ａ〜ｃ）を選択し、その特性からステアリング角度に対応する値を求め、これを目標ダンパ減衰力に設定する一方、S109の判定がnoのときは、S114へ進み、目標減衰力を最大値に設定する。

S111〜S113においては、目標ダンパ減衰力を車速に応じて補正するものであり、S111においては、ハンドル１の回転方向とサーボモータ４の回転方向（トルク方向）が一致するかどうかを判定する。S111の判定がyesのときは、図１１マップから特性ηに基づいて車速に対応する補正値を求め、これを目標ダンパ減衰力に加算する一方、S111の判定がnoのときは、図１１マップから特性εに基づいて車速に対応する補正値を求め、これを目標ダンパ減衰力に加算するのである。

S116においては、目標ダンパ減衰力（S107の設定値，S108の設定値，S112〜S115の設定値）に基づいて、ステッピングモータ６ｈへの制御信号を出力する。

このような制御により、車両の停止状態においては、ハンドルの操舵角が中立範囲内にあれば、目標ダンパ減衰力が低レベルに設定され、ハンドルの操舵角が中立範囲外にあれば、目標ダンパ減衰力が高レベルに設定される（S105〜S107）。このため、目標ダンパ減衰力が中立範囲の内外で画然と変わるため、ハンドルの遊びをリアルに再現することができる。

車両の走行状態においては、ステアリング軸角速度が閾値を超えると、目標ダンパ減衰力が最大値に設定される（S109→S114）。このため、ステアリングの回転速度が閾値を超えるのが抑えられ、サーボモータへ過剰な負荷が作用するのを防止することができる。ステアリング軸角速度が閾値以下の場合においては、ハンドル１の回転方向とサーボモータ４の回転方向（トルク方向）が一致するかどうかの判定に基づいて、目標ダンパ減衰力の設定が補正される（S111〜S113）。このため、ハンドル１の操舵方向の反転時（ステアリングの切り返し時）においても、ハンドル操作（操舵速度）および車両挙動に対応する減衰力が加わるため、実車運転時と変わらぬ操舵反力をリアルに再現することができる。

S117においては、所定の手続きに基づく所定の手順に基づく終了処理を行うと共に、S115で決定されるダンパ減衰力（最大値）に基づき、S116の処理と同様に油圧制御信号を出力する。これは、システム停止中の不意な誤動作等が発生する場合を想定した安全機能である。

図１２〜図１４は、別の実施形態を説明するものであり、ダンパ（減衰力発生手段）として往復動型の油圧緩衝器４０が用いられる。ダンパ４０は、シリンダ４０ａとその内部を２つの室に仕切るピストン４０ｃとピストンロッド４０ｂとからなり、ピストン４０ｃはピストンロッド４０ｂの中央部に結合される。ピストン４０ｃに２つの室を連通するオリフィス４０ｅが設けられ、オリフィスの有効径（実質的なオリフィス径）を調整する減衰力可変手段が備えられる。

ピストンロッド４０ｂの両端にそれぞれ連結板４６の一端が結合され、各連結板４６の他端にそれぞれラック４７の両端が結合される。ラック４７は軸受４９を介してピストンロッド４０ｂの伸縮方向へ移動可能に支持され、ギヤボックス３の出力軸に歯車４８を介して連結される。ハンドル１が操舵されると、ギヤボックス３の出力回転が歯車４８を介してラック４７の往復動に変換され、ラック４７の動きに伴ってピストンロッド４０ｂが伸縮する。シリンダ４０ａの内部において、ピストンロッド４０ｂの伸縮に伴うピストン４０ｃの摺動により、容積が収縮する側の室から容積が拡大する側の室へ油（例えば、シリコンオイル）がオリフィス４０ｅを通して流れ、その油の流れにオリフィス４０ｅが抵抗を与えることにより、ダンパ４０のストローク速度が緩和されるのである。

ダンパ４０の減衰力可変手段として、２つの室を連絡する通路４０ｆと、通路４０ｆの開度を調整するバルブ４０ｇと、バルブ４０ｇを目標ダンパ減衰力に相当する開度に駆動するステッピングモータ４０ｈと、が備えられる。バルブ４０ｇの開度が大きくなると、実質的なオリフィス径が大きくなり、ダンパ４０の減衰力特性が低めに設定される一方、バルブ開度が小さくなると、実質的なオリフィス径が小さくなり、ダンパ４０の減衰力特性が高めに設定される。

減衰力可変手段の制御系については、前記（図５、参照）と同様の構成となるので、説明は省略する。図１２〜図１３において、図２〜図４と同一の部位は、同一の符号を付ける。

この発明は、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。

この発明の操舵反力発生装置の概略構成図である。 同じく操作反力発生装置の斜視図である。 同じく一部分解斜視図である。 同じくダンパの概略構成図である。 同じく減衰力可変手段に係る制御ブロック図である。 同じく操舵反力発生装置の制御ブロック図である。 同じく車両運転模擬システムの概要構成図である。 同じく操舵反力発生装置の制御内容を説明するフローチャートである。 同じく操舵反力発生装置の制御内容を説明する特性図である。 同じく操舵反力発生装置の制御内容を説明する特性図である。 同じく操舵反力発生装置の制御内容を説明する特性図である。 別の実施形態に係る操作反力発生装置の斜視図である。 同じく一部分解斜視図である。 同じくダンパの概略構成図である。

符号の説明

１ ハンドル
２ ステアリングシャフト
３ ギヤボックス
４ サーボモータ
５ シャフト
６，４０ ダンパ
７ 操舵角センサ
１３ コントローラ
１４ モータアンプ

Claims (5)

1. 車両運転模擬システムの操舵反力発生装置において、ハンドルの操舵角を検出する操舵角センサと、車両運転模擬システムが模擬する車両運動状態およびハンドルの操舵角に基づいて操舵反力を求める手段と、この操舵反力に応じたトルクを発生してハンドルへ伝達する操舵反力出力手段と、ハンドルの操舵角の変化に減衰力を与えるダンパと、を備えることを特徴とする車両運転模擬システムの操舵反力発生装置。
2. ダンパは、減衰力可変手段と、ハンドルの操舵角および車両運転模擬システムが模擬する車両運動状態に基づいて減衰力可変手段の発生減衰力を制御する手段と、を備えることを特徴とする請求項１に係る車両運転模擬システムの操舵反力発生装置。
3. 減衰力可変手段を制御する手段は、ハンドルの操舵角と操舵角速度と車両運転模擬システムが模擬する車両運動状態の車速とから目標ダンパ減衰力を設定する手段と、目標ダンパ減衰力を発生させるべく減衰力可変手段を制御する手段と、を備えることを特徴とする請求項２に係る車両運転模擬システムの操舵反力発生装置。
4. 目標ダンパ減衰力を設定する手段は、車両運転模擬システムが模擬する車両運動状態の車速が０のときにハンドルの操舵角に対応する目標ダンパ減衰力を規定する特性マップを格納する手段と、を備えることを特徴とする請求項３に係る車両運転模擬システムの操舵反力発生装置。
5. 目標ダンパ減衰力を設定する手段は、車両運転模擬システムが模擬する車両運動状態の車速が０でないときに車速とハンドルの操舵角とから目標ダンパ減衰力を規定する特性マップを格納する手段と、ハンドルの操舵方向が操舵反力出力手段の発生トルクの作用方向と一致するか否かの判定を行う手段と、この判定が肯定のときの補正値を規定する特性マップを格納する手段と、同じく判定が否定のときの補正値を規定する特性マップを格納する手段と、これらの補正値を選択的に加えて目標ダンパ減衰力の設定を補正する手段と、を備えることを特徴とする請求項３に係る車両運転模擬システムの操舵反力発生装置。