JP2008174012A - 車両の操舵制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の操縦性および安定性を向上させることができるようにする。
【解決手段】 操舵部１１に入力された操舵角に応じて操舵輪の舵角を変更する舵角変更機構１３と、操舵力と車速とに応じた補助駆動力で舵角変更機構１３を駆動する操舵力調整機構１４と、操舵角速度および車速に基づいて車両のロール角速度を算出するロール角速度算出手段４８と、ロール角速度算出手段によって算出されたロール角速度の増大に伴って操舵力調整機構による補助駆動力を減じる補正を行なう補正手段４９とを備えて構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両のロール角速度に着目した操舵制御装置に関するものである。

従来より、ドライバによるステアリングホイールの操作を補助するパワーステアリング装置が知られている。このパワーステアリング装置に関する技術は、種々のものが存在しているが、その一例として、以下の特許文献１の技術が挙げられる。
この特許文献１においては、車両のロール角速度をレートジャイロにより実際に検出し、検出された実ロール角速度がしきい値よりも大きい場合に電動パワーステアリングによるアシストトルクを減少させる技術が開示されている。
特開２００６−１０３５０７号公報

しかしながら、この特許文献１に開示される技術においては、しきい値の設定が非常に困難であるという課題がある。
例えば、このしきい値が低過ぎると、路面の微小な凹凸や傾きにより車両がわずかにロールした場合であっても、電動パワーステアリングによるアシストトルクが低減されてしまう。この場合、ステアリングホイールが頻繁に重くなったり軽くなったりするため、ドライバに違和感を覚えさせてしまうのである。

他方、このしきい値が高過ぎると、車両の挙動が大きく変化する場合（例えば、車両がスピンする直前など）においても、電動パワーステアリングによるアシストトルクが低減されず、急激なステアリング操作を招き車両の挙動が不安定になる。
このように、従来の技術では、実ロール角速度のしきい値を適切に設定するために多大な労力と時間とを要するにもかかわらず、それでもなお、アシストトルク制御の精度を向上させることが難しいという課題が生じている。

本発明はこのような課題に鑑み案出されたもので、車両の操縦性および安定性を向上させることができる、車両の操舵制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の車両の操舵制御装置（請求項１）は、 操舵輪を有する車両の操舵制御装置であって、該車両のドライバにより操作され該操舵輪に接続された操舵部と、該操舵部に入力された操舵角に応じて該操舵輪の舵角を変更する舵角変更機構と、該操舵部に入力された操舵力を検出する操舵力検出手段と、該操舵部に入力された操舵角の角速度を検出する操舵角速度検出手段と、該車両の車速を検出する車速検出手段と、該操舵力検出手段により検出された該操舵力と該車速検出手段により検出された車速とに応じた補助駆動力で該舵角変更機構を駆動する操舵力調整機構と、該操舵角速度検出手段により検出された操舵角速度および該車速検出手段により検出された該車速に基づいて該車両のロール角の角速度を算出するロール角速度算出手段と、該ロール角速度算出手段によって算出された該ロール角速度の増大に伴って該操舵力調整機構による該補助駆動力を減じる補正を行なう補正手段とを備えることを特徴としている。

本発明の車両の操舵制御装置によれば、算出することによって得られた車両のロール角速度の増大に伴って、操舵力調整機構による補助駆動力を減じる補正を行なうことで、車両の操縦性および安定性を向上させることが出来る。（請求項１）

以下、図面により、本発明の一実施形態に係る車両の操舵制御装置について説明すると、図１はその全体構成を示す模式的なブロック図，図２は基本アシスト電流の算出に用いられるマップを示す模式図，図３は操舵制御の内容を示す模式的なフローチャート，図４は車両のサスペンション機構におけるダンパが適切に作動している場合のロール角の変化を示す模式的なグラフ、図５は車両のサスペンション機構におけるダンパが適切に作動していない場合のロール角の変化を示す模式的なグラフである。

図１に示すように、車両１０には前輪１２，１２が設けられ、その舵角θ_ＦＴを変更できる車輪（操舵輪）として用いられている。
また、この車両１０には、ドライバにより操作されるステアリングホイール（操舵部）１１と、このステアリングホイール１１と機械的に接続され、ステアリングホイール１１の操舵角δ_ＳＷ（すなわち、目標舵角）に応じて車両１０の前輪１２，１２の舵角θ_ＦＴを変更する操舵機構（舵角変更機構）１３と、ステアリングホイール１１に入力される操舵トルク（操舵力）Ｔ_ＳＷおよび車速Ｖに応じたアシストトルク（補助駆動力）Ｔを発生させ、このアシストトルクＴを操舵機構１３に入力する電動パワーステアリング機構（操舵力調整機構）１４とが設けられている。

また、この車両１０には、操舵トルクセンサ（操舵力検出手段）２１および車速センサ（車速検出手段）２２が備えられている。
このうち、操舵トルクセンサ２１は、ドライバからステアリングホイール１１に入力されたトルクである操舵トルクＴ_ＳＷを検出するものである。
また、車速センサ２２は、車両１０の車速Ｖを検出するものである。

また、この電動パワーステアリング機構１４には電動モータ１５が備えられ、この電動モータ１５は、モータ駆動ユニット１６を介してＥＰＳ ＥＣＵ３１の制御を受けて駆動するようになっている。
また、このＥＰＳ（Electrical control Power Steering） ＥＣＵ３１は、いずれも図示しないインターフェース，メモリ，ＣＰＵなどが備えられた電子制御ユニットであって、モータ角速度検出部２３，操舵角速度検出部（操舵角速度検出手段）２４，基本制御ユニット３２および付加制御ユニット３３を有して構成されている。

このうち、モータ角速度検出部２３は、電動パワーステアリング機構１４に備えられた電動モータ１５に流れるモータ電流を検出し、この検出値の変化率に基づいて、電動モータ１５の角速度ω_Ｍを算出するものである。
また、操舵角速度検出部（操舵角速度検出手段）２４は、モータ角速度検出部２３により算出された電動モータ１５の角速度ω_Ｍに基づいてステアリングホイール１１の操舵角δ_ＳＷの角速度δ_ＳＷ′（即ち、操舵角δ_ＳＷの微分値）を算出するものである。

そして、基本制御ユニット３２には、基本アシスト電流設定部４１と、慣性補償部４２と、ダンピング補償部４３と、摩擦補償部４４とが設けられている。なお、これらの基本アシスト電流設定部４１，慣性補償部４２，ダンピング補償部４３および摩擦補償部４４は、それぞれ、メモリ内に格納されたソフトウェアによって実現されている。
基本アシスト電流設定部４１は、操舵トルクセンサ２１によって検出された操舵トルクＴ_ＳＷと、車速センサ２２によって検出された車速Ｖとに応じて、基本アシストトルクＴ_ｂａｓｅを設定し、その後、この基本アシストトルクＴ_ｂａｓｅに対応した電流である基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅに変換するものである。なお、この基本アシストトルクＴ_ｂａｓｅは、電動パワーステアリング機構１４の電動モータ１５により生じるアシストトルクＴの基本となるものである。

また、基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅは、この基本アシスト電流設定部４１が図２に示すマップ４６を参照することによって設定されるようになっている。なお、この図２に示すように、操舵トルクＴ_ＳＷおよび基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅの正負（＋，−）はステアリングホイール１１を基準として、正は左方向（反時計回り方向）、負は右方向（時計回り方向）を示す。

このマップ４６において、基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅの絶対値は、操舵トルクＴ_ＳＷが第１閾値（±Ｔ_ＳＷ１）の絶対値よりも小さい場合にはゼロであり、他方、操舵トルクＴ_ＳＷが第１閾値（±Ｔ_ＳＷ１）の絶対値以上になると、第２閾値（±Ｔ_ＳＷ２）に達するまでの区間においては、操舵トルクＴ_ＳＷの絶対値の増加に比例して増加するように設定されている。そして、この基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅの絶対値の増加割合（図２に示す特性線±Ｌ_１，±Ｌ_２，±Ｌ_３の傾き）は、車速Ｖが大きいほど小さくなるように設定されている。また、操舵トルクＴ_ＳＷが第２閾値の絶対値以上の区間において、基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅの絶対値は一定となるように設定されている。

慣性補償部４２は、電動モータ１５の回転子（図示略）による慣性力を補償するものである。より具体的には、モータ角加速度ω_Ｍ′と車速Ｖとに基づいて慣性補償トルクＴ_ｉｎｔに対応した電流である慣性補償電流Ｉ_ｉｎｔを算出し、この慣性補償電流Ｉ_ｉｎｔを基本アシスト電流設定部４１によって得られた基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅに対して加えることで、基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅを補正するようになっている。なお、モータ角加速度ω_Ｍ′は、モータ角速度算出部２３によって算出された電動モータ１５の角速度ω_Ｍを、モータ角加速度算出部４５が微分することによって得られるようになっている。

ダンピング補償部４３は、電動モータ１５に対するダンピング補償をするものである。より具体的には、車速Ｖおよび電動モータ１５の角速度ω_Ｍに基づいて、ダンピング補償トルクＴ_ｄｍｐに対応した電流であるダンピング補償電流Ｉ_ｄｍｐを算出し、基本アシスト電流設定部４１によって得られた基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅに対して算出したダンピング補償電流Ｉ_ｄｍｐを加えることで、基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅを補正するようになっている。

また、摩擦補償部４４は、電動モータ１５を含む電動パワーステアリング機構１４におけるギア等の磨耗損失分を補償するものである。より具体的には、車速Ｖおよび電動モータ１５の角速度ω_Ｍに基づいて、摩擦補償トルクＴ_ｆｒｃに対応した電流である摩擦補償電流Ｉ_ｆｒｃを算出し、基本アシスト電流設定部４１によって得られた基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅに対して算出した摩擦補償電流Ｉ_ｆｒｃを加えることで、基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅを補正するようになっている。

付加制御ユニット３３には、横加速度変化率推定部（横加速度変化率推定手段）４７，ロール角速度算出部（ロール角速度算出手段）４８および補正部（補正手段）４９が備えられている。なお、これらの横加速度変化率推定部４７，ロール角速度算出部４８および補正部４９は、いずれも図示しないメモリ内に格納されたソフトウェアとして実現されている。

これらのうち、横加速度変化率推定部４７は、車速センサ２２によって得られた車速Ｖと、操舵角速度検出部２４によって検出された操舵角速度δ_ＳＷ′とに基づいて、式（１）〜（４）により車両１０の横加速度Ｇ_Ｙの変化率Ｇ_Ｙ′を算出するものである。

なお、ω_ｎは固有振動数、ω_ｎζはダンピング係数、ｎはステアリングギア比、Ａはスタビリティファクタ、Ｖは車速、ｌはホイールベース、Ｉはヨー慣性、Ｋｒは後輪コーナリングパワーをそれぞれ示す。
また、ロール角速度算出部４８は、横加速度変化率推定部４７によって算出された車両１０の横加速度変化率Ｇ_Ｙ′に基づいて、車両１０のロール角φの角速度φ′を算出するものである。

より具体的に、このロール角速度算出部４８は、横加速度変化率Ｇ_Ｙ′を以下の式（５）に適用することにより角速度φ′を求めるようになっている。

なお、ω_Ｓは車両重量、ｈ_Ｓは車両重心点とロール軸との間の距離、Ｋ_φｆは前後懸架装置のロール剛性をそれぞれ示す。
また、補正部４９は、ロール角速度算出部４８によって推定されたロール角速度φ′の増大に応じて増大する負のトルクＴａに対応する電流である反力補正電流Ｉ_φ′を算出し、基本アシスト電流設定部４１によって得られた基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅに対して、この反力補正電流Ｉ_φ′を加えることで、基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅを補正するものである。

なお、ここで反力補正電流Ｉ_φ′の正負（＋，−）はステアリングホイール１１の回転方向を示している。つまり、この反力補正電流Ｉ_φ′が正（＋）である場合には、基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅに対してステアリングホイール１１を左方向（反時計回り方向）に回転させるような補正を行ない、他方、この反力補正電流Ｉ_φ′が負（−）である場合には、基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅに対してステアリングホイール１１を右方向（時計回り方向）に回転させるような補正を行なうようになっている。

モータ駆動ユニット１６は、ＥＰＳ ＥＣＵ３１から発せられた目標アシスト電流Ｉ_Ｔを受け、この目標アシスト電流Ｉ_Ｔに従って、図示しない電源から電動モータ１５へ供給される電力を制御することで、電動モータ１５へ供給される出力を制御するものであり、電気回路によって実現されている。
本発明の実施形態に係る車両の操舵制御装置は上述のように構成されているので、以下のような作用および効果を奏する。

図３のフローチャートに示すように、まず、基本制御ユニット３２内の基本アシスト電流設定部４１が、操舵トルクセンサ２１によって検出された操舵トルクＴ_ＳＷを読み込むとともに、車速センサ２２によって検出された車速Ｖを読み込む。そして、これらの操舵トルクＴ_ＳＷと車速Ｖとをマップ４６に適用することで、基本アシストトルクＴ_ｂａｓｅを設定する（ステップＳ１１）。

また、モータ角加速度算出部４５が、モータ角速度算出部２３によって算出された電動モータ１５の角速度ω_Ｍを微分することでモータ角加速度ω_Ｍ′を得る。また、慣性補償部４２が、モータ角加速度算出部４５により得られたモータ角加速度ω_Ｍ′を読み込むとともに、車速センサ２２によって検出された車速Ｖを読み込み、モータ角加速度ω_Ｍ′と車速Ｖとに基づいて、慣性補償電流Ｉ_ｉｎｔを算出し、基本アシスト電流設定部４１によって得られた基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅに対して算出した慣性補償電流Ｉ_ｉｎｔを加える制御である慣性補償制御を実行することで、基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅを補正する（ステップＳ１２）。

また、ダンピング補償部４３が、車速センサ２２によって検出された車速Ｖを読み込むとともに、モータ角速度算出部２３によって算出された電動モータ１５の角速度ω_Ｍを読み込む。そして、これらの車速Ｖおよび電動モータ１５の角速度ω_Ｍに基づいて、ダンピング補償電流Ｉ_ｄｍｐを算出し、基本アシスト電流設定部４１によって得られた基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅに対して算出したダンピング補償電流Ｉ_ｄｍｐを加える制御であるダンピング補償制御を実行することで、基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅを補正する（ステップＳ１３）。

また、摩擦補償部４４が、車速センサ２２によって検出された車速Ｖを読み込むとともに、モータ角速度算出部２３によって算出された電動モータ１５の角速度ω_Ｍを読み込む。そして、読み込んだ車速Ｖおよび電動モータ１５の角速度ω_Ｍに基づいて、摩擦補償電流Ｉ_ｆｒｃを算出し、基本アシスト電流設定部４１によって得られた基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅに対して算出した摩擦補償電流Ｉ_ｆｒｃを加える制御である摩擦補償制御を実行することで、基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅをさらに補正する（ステップＳ１４）。

そして、付加制御ユニット３３の横加速度変化率推定部４７が、車速センサ２２によって得られた車速Ｖと、操舵角速度検出部２４によって検出された操舵角速度δ_ＳＷ′とに基づいて、車両１０の横加速度Ｇ_Ｙの変化率Ｇ_Ｙ′を推定する（ステップＳ１５）。
その後、ロール角速度算出部４８が、横加速度Ｇ_Ｙの変化率Ｇ_Ｙ′を上述の式（１）〜（５）に適用することで、横加速度変化率推定部４７によって算出された車両１０の横加速度変化率Ｇ_Ｙ′に基づいて、車両１０のロール角速度φ′を算出する（ステップＳ１６）。

その後、補正部４９が、ロール角速度算出部４８によって推定された車両１０の横加速度変化率Ｇ_Ｙ′の増大に応じて増大する負のトルクＴａに対応する電流である反力補正電流Ｉ_φ′を算出する。さらに、この補正部４９は、基本アシスト電流設定部４１によって得られた基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅに対して、この反力補正電流Ｉ_φ′を加えることで、基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅを補正する（ステップＳ１６）。

そして、ＥＰＳ ＥＣＵ３１は、上述のステップＳ１２，Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ１７において補正された基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅを最終的なアシストトルクＴを示す電流である目標アシスト電流Ｉ_Ｔ示す指令としてモータ駆動ユニット１６に向けて出力する。そして、モータ駆動ユニット１６が、この目標アシスト電流Ｉ_ｔを示す指令に従って、電動モータ１５へ供給される出力を制御し、電動モータ１５から操舵機構１３に入力されるアシストトルクＴを調整する（ステップＳ１８）。

ここで、本実施形態に係る車両１０のシミュレーション実験の結果の一例を図４および図５のグラフに示す。この実験は、高速（ここでは１００ｋｍ／ｈ）で走行している車両１０において、ドライバが一定の操舵トルクＴ_ＳＷでステアリングホイール１１を周期的に回転させる操作（いわゆる、周期的な切返し操作）を行ない、且つ、その周期を０．２Ｈｚから２Ｈｚへ徐々に変化させたものである。なお、この場合の操舵トルクＴ_ＳＷの絶対値２．０Ｎｍとしている。

そして、図４においては、車両１０に装備された図示しないサスペンション機構のダンパが正常に作動した場合における車両１０のロール角Φを示し、他方、図５においては、ダンパが正常に作動しない場合（より具体的にはダンパを取り外した場合）における車両１０のロール角Φを示すものである。
つまり、図４において鎖線により示すように、本発明の制御を実行しなかった場合には、共振が発生していることがわかる（図４中符号Ａ_１参照）。

これに対して、図４中実線で示すように、本実施形態に係る本発明の制御を実行した場合には、共振を生じさせず、車両１０の挙動を安定させることが出来ていることがわかる。
他方、図５において鎖線で示すように、ダンパが正常に作動せず、且つ、本発明の制御を実行しない場合には、共振が発生してしまう（図５中符号Ａ_２参照）。

これに対して、図５中実線で示すように、本実施形態に係る本願発明の操舵制御を実行した場合には、やはり共振を生じさせず、車両１０の挙動を常に安定させることが出来ていることがわかる。
これらの実験結果について、図１に示す本実施形態に係る構成を参照しながら、もう少し具体的に説明すると、車両１０のロール角速度φ′の増大に応じて、付加制御ユニット３３が基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅの絶対値を適度に減ずる補正を行なうため、ステアリングホイール１１を回転させるためドライバに求められる操舵トルクはより大きくなる。つまり、車両１０のドライバにとっては、ロール角速度φ′の増大に伴ってステアリングホイール１１がより重く感じられることとなり、ステアリングホイール１１を急激に操作することが妨げられ、これにより、車両１０の挙動が不安定になることを回避することが出来るのである。

このように、本発明の実施形態に係る車両の操舵制御装置によれば、ロール角速度算出部４８によって算出された車両１０のロール角φの角速度φ′の増大に伴って、補正部４９が、基本アシスト電流Ｉ_ｂａｓｅを反力補正電流Ｉ_φ′により補正することで、電動パワーステアリング機構１４の電動モータ１５によるアシストトルクＴが補正されるので、車両１０の操縦性および安定性を向上させることができる。

また、仮に、車両１０のサスペンション機構におけるダンパ（図示略）が、経年劣化などの理由により、正常に作動しない場合であっても、車両１０の挙動を安定させることが可能となり、ドライバに余計な修正操舵を要求する事態を避けることができる。
また、本発明においては、従来技術のようにレートジャイロにより実際に測定したロール角速度（実ロール角速度）を用いるのではなく、操舵角速度検出部２４と車速センサ２２との検出結果に基づいて車両１０の横加速度変化率Ｇ_Ｙ′を推定し、且つ、この横加速度変化率Ｇ_Ｙ′を用いてロール角速度φ′を算出するので、従来技術のように多大な労力と時間を費やしてしきい値を設定することを不要とすることができる。また、算出したロール角速度Φ′を用いることで、電動パワーステアリング機構１４の電動モータ１５によるアシストトルクＴを高精度で調整することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
上述の実施形態においては、ロール角速度φ′に基づいて、電動パワーステアリング機構１４のアシストトルクＴを制御する場合を例にとって説明したが、これ以外にも、例えば、ロール角速度φ′に基づいて、可変ギアステアリングシステムのギア比を制御するようにしてもよい。

さらに、ステアリングホイール１１と操舵機構１３とを電磁的にリンクした機構（いわゆる、ステアバイワイヤ機構）による舵角制御に本発明を適用してもよい。

本発明の実施形態に係る車両の操舵制御装置の全体構成を示す模式的なブロック図である。 本発明の実施形態に係る車両の操舵制御装置において、基本アシスト電流の算出に用いられるマップを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る車両の操舵制御装置の制御内容を示す模式的なフローチャートである。 本発明の実施形態に係る車両の操舵制御装置による操舵制御の有無により車両ロール角がどのように変化するのかを示す模式的なグラフであって、サスペンション機構のダンパが正常に作動している場合を示す。 本発明の実施形態に係る車両の操舵制御装置による操舵制御の有無により車両ロール角がどのように変化するのかを示す模式的なグラフであって、サスペンション機構のダンパが正常に作動していない場合を示す。

符号の説明

１０ 車両
１１ ステアリングホイール（操舵部）
１２ 前輪（操舵輪）
１３ 操舵機構（舵角変更機構）
１４ 電動パワーステアリング機構（操舵力調整機構）
２１ 操舵トルクセンサ（操舵力検出手段）
２２ 車速センサ（車速検出手段）
２３ モータ角速度検出部
２４ 操舵角速度検出部（操舵角速度検出手段）
４７ 横加速度変化率推定部（横加速度変化率推定手段）
４８ ロール角速度算出部（ロール角速度算出手段）
４９ 補正部（補正手段）

Claims (1)

1. 操舵輪を有する車両の操舵制御装置であって、
   該車両のドライバにより操作され該操舵輪に接続された操舵部と、
   該操舵部に入力された操舵角に応じて該操舵輪の舵角を変更する舵角変更機構と、
   該操舵部に入力された操舵力を検出する操舵力検出手段と、
   該操舵部に入力された操舵角の角速度を検出する操舵角速度検出手段と、
   該車両の車速を検出する車速検出手段と、
   該操舵力検出手段により検出された該操舵力と該車速検出手段により検出された車速とに応じた補助駆動力で該舵角変更機構を駆動する操舵力調整機構と、
   該操舵角速度検出手段により検出された操舵角速度および該車速検出手段により検出された該車速に基づいて該車両のロール角の角速度を算出するロール角速度算出手段と、
   該ロール角速度算出手段によって算出された該ロール角速度の増大に伴って該操舵力調整機構による該補助駆動力を減じる補正を行なう補正手段とを備える
   ことを特徴とする車両の操舵制御装置。

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