JP2009051355A - 操舵制御装置及び車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】操舵トルクアシストによらずに目標軌跡に誘導可能な操舵制御装置を提供する。
【解決手段】車両の操舵制御装置1であって、車両走行における目標軌跡に基づいて決定される所定範囲(目標軌跡へ誘導するための誘導目標タイヤ角付近)のタイヤ角度に対応するステアリング操作角度のレンジを所定範囲外のタイヤ角度に対応するステアリング操作角度のレンジよりも広く設定するステアリング特性設定手段を備えることを特徴とし、所定範囲におけるステアリング機構の減速比を大きくする。
【選択図】図2

Description

本発明は、操舵制御装置に関する。
近年、ドライバの負担を軽減するために、ドライバに対して各種運転支援を行うための装置が開発されている。例えば、車両前方を撮像した撮像画像から一対の白線を検出し、その一対の白線からなる車線の中心(目標軌跡)に沿って車両が走行するように操舵アシストトルクをステアリング機構に与えるレーンキープ装置がある(特許文献1参照)。このレーンキープ装置における操舵制御では、フィードバック制御を行っており、実際の車両位置が目標軌跡からどの程度ずれているか(すなわち、誤差)を検出し、その誤差が小さくなるように操舵アシストトルクを算出し、その操舵アシストトルクを発生させている。
特開平11−321690号公報 特開2007−38750号公報 特開2002−12159号公報 特開2002−120744号公報 特開2005−225430号公報
レーンキープ中でも、ドライバは、走行状況に応じて目標軌跡から逸脱して走行したい場合がある。例えば、自車両の隣に大型車両が走行している場合、ドライバは、大型車両から離れて走行したいという心理が働き、車線の中心から大型車両の反対側に少し離れて走行するためのハンドル操作を行う。また、自車両の前方に落下物などの障害物が存在する場合、ドライバは、その障害物を避けるためのハンドル操作を行う。レーンキープ中にこのようなハンドル操作を行うと、ドライバのハンドル操作は車線の中心を走行させようとする操舵アシストトルク(対抗トルク)によって阻害されるので、ドライバが意図したタイヤ角に変化させるためにはドライバは大きな手動トルクを入力する必要がある。このように、操舵アシストトルクを用いて目標軌跡に誘導するような制御を行っている場合、ドライバによる目標軌跡に外れるようなハンドル操作を反映し難い。
そこで、本発明は、操舵トルクアシストによらずに目標軌跡に誘導可能な操舵制御装置を提供することを課題とする。
本発明に係る操舵制御装置は、車両の操舵制御装置であって、所定範囲のタイヤ角度に対応するステアリング操作角度のレンジを所定範囲外のタイヤ角度に対応するステアリング操作角度のレンジよりも広く設定するステアリング特性設定手段を備えることを特徴とする。
この操舵制御装置では、ステアリング特性設定手段により所定範囲のタイヤ角度に対応するステアリング操作角度のレンジを所定範囲外のタイヤ角度に対応するステアリング操作角度のレンジよりも広く設定しているので、タイヤ角度が所定範囲のときにはドライバによるステアリング操作角度に対してタイヤ角度が変化し難い。つまり、この所定範囲のタイヤ角度の領域では、ステアリング機構における減速比が大きくなっており、ステアリング操作角度の変化量に対してタイヤ角度の変化量が少なくなる。所定範囲のタイヤ角度は、目標とするタイヤ角度の範囲であり、例えば、目標軌跡に誘導するために必要なタイヤ角度の範囲である。したがって、この操舵制御装置では、操舵アシストトルクによらずに、目標とするタイヤ角度での走行を容易に行うことができ、目標軌跡などへの誘導を行うことができる。逆に、所定範囲外のタイヤ角度の領域では、所定範囲内より、ステアリング操作角度に対するタイヤ角度の減速比が小さくなっており、ステアリング操作角度の変化量に対してタイヤ角度の変化量が大きくなる。したがって、この操舵制御装置では、ドライバの手動操作によって所定範囲外のタイヤ角度に移行すると、ドライバによる手動操作に応じてタイヤ角度が変化し易くなり、ドライバの意図する操舵が容易となる。
本発明の上記操舵制御装置では、所定範囲のタイヤ角度は、車両走行における目標軌跡によって決定されると好適である。この操舵制御装置では、所定範囲のタイヤ角度が目標軌跡に誘導するために必要なタイヤ角度となっているので、操舵アシストトルクによらずに、目標軌跡に誘導でき、目標軌跡付近での走行を容易に行うことができる。
本発明の上記操舵制御装置では、ステアリング操作角度と当該ステアリング操作角度に対するタイヤ角度との関係を規定した基本マップを備え、ステアリング特性設定手段は、目標軌跡を達成するためのタイヤ角度に対応するステアリング操作角度のレンジを基本マップに比べて広く設定する構成としてもよい。
この操舵制御装置では、一般的なステアリング操作角度とタイヤ角度との関係を示した基本マップ(すなわち、ステアリング機構における一般的な減速比を示した基本マップ)が用意され、ステアリング特性設定手段により目標軌跡を達成するためのタイヤ角度に対応するステアリング操作角度のレンジを基本マップに比べて広くしているので、目標軌跡を達成するためのタイヤ角度の領域ではステアリング操作角度に対してタイヤ角度が変化し難い。したがって、目標軌跡に誘導するためのタイヤ角度での走行を容易に行うことができ、目標軌跡への誘導を行うことができる。
本発明の上記操舵制御装置では、ステアリング機構における減速比を変化させるステアリング減速比可変機構を備え、ステアリング特性設定手段は、目標とするタイヤ角度に近いほどステアリング減速比可変機構による減速比を大きく設定する構成としてもよい。
この操舵制御装置では、ステアリング減速比可変機構を備えており、このステアリング減速比可変機構によりステアリング操作角度とハンドル角度との関係を任意にコントロールすることができる。そこで、操舵制御装置では、目標とするタイヤ角度に近いほどそのタイヤ角度に対応するステアリング操作角度のレンジを広くするために、ステアリング特性設定手段によりステアリング減速比可変機構を利用して目標とするタイヤ角度に近いほどステアリング機構における減速比を大きくする。
本発明は、ステアリング機構における減速比を調整することにより、操舵アシストトルクによらずに目標軌跡などに誘導することができる。
以下、図面を参照して、本発明に係る操舵制御装置の実施の形態を説明する。
本実施の形態では、本発明に係る操舵制御装置を、電動パワーステアリング機能とステアリングギヤ比可変機能を有する操舵制御装置に適用する。本実施の形態に係る操舵制御装置では、ドライバによるハンドル操作に対して、ドライバのハンドル操作を軽減するために操舵アシストトルクをステアリング機構に付与するとともに、操舵アシストトルクによらずに目標軌跡での走行を容易にするためにステアリング機構におけるギヤ比(減速比)を変化させる。
図1及び図2を参照して、本実施の形態に係る操舵制御装置1について説明する。図1は、本実施の形態に係る操舵制御装置の構成図である。図2は、ハンドル角タイヤ角対応マップの一例である。
操舵制御装置1は、操舵アシストトルクをステアリング機構に付与するために電動パワーステアリング制御を行うとともに、ステアリング機構におけるギヤ比を変化させるためにステアリングギヤ比可変制御を行う。特に、ステアリングギヤ比可変制御では、目標軌跡への誘導走行とドライバが希望する走行(目標軌跡から外れた走行)とを両立するために、ステアリング機構におけるギヤ比(減速比)を目標軌跡に誘導するための誘導目標タイヤ角付近では大きくし、それ以外の領域では小さくする。そのために、操舵制御装置1は、舵角センサ10、タイヤ角センサ11、車輪速センサ12、白線検知センサ13、操舵アクチュエータ20、ギヤ比可変アクチュエータ21及びECU[Electronic Control Unit]30を備えている。なお、本実施の形態では、ECU30における処理が特許請求の範囲に記載するステアリング特性設定手段に相当する。
舵角センサ10は、ドライバによってハンドルから入力された舵角(ハンドル角)を検出するセンサである。舵角センサ10では、舵角を検出し、その舵角を舵角信号としてECU30に送信する。
タイヤ角センサ11は、車両の転舵輪のタイヤ角を検出するセンサである。タイヤ角センサ11では、タイヤ角を検出し、そのタイヤ角をタイヤ角信号としてECU30に送信する。
車輪速センサ12は、車両の4輪にそれぞれ設けられ、車輪の回転速度(車輪の回転に応じたパルス数)を検出するセンサである。車輪速センサ12では、所定時間毎の車輪の回転パルス数を検出し、その検出した車輪回転パルス数を車輪速信号としてECU30に送信する。ECU30では、各車輪の回転速度から車輪速をそれぞれ算出し、各輪の車輪速から車体速(車速)を算出する。
白線検知センサ13は、カメラや画像処理装置を備えており、一対の白線(車線)を検知するセンサである。白線検知センサ13では、カメラで自車両の前方の道路を撮像する。そして、白線検知センサ13では、画像処理装置で撮像画像から車両が走行している車線を示す一対の白線を認識する。さらに、認識した一対の白線から車線幅、一対の白線の中心を通る線(すなわち、車線の中心線)、車線の中心の半径(カーブ半径R)、カーブ半径Rからカーブ曲率γ(=1/R)、白線に対する車両の向き(ヨー角)及び車線の中心に対する車両中心の位置(オフセット)などを算出する。そして、白線検知センサ13では、これらの認識した一対の白線の情報や算出した各情報を白線検知信号としてECU30に送信する。
操舵アクチュエータ20は、モータによる回転駆動力を減速機構を介してステアリング機構(ラック、ピニオン、コラムなど)に伝達し、ステアリング機構に操舵アシストトルクを付与するためのアクチュエータである。操舵アクチュエータ20では、ECU30から操舵制御信号を受信すると、操舵制御信号に応じてモータが回転駆動して操舵アシストトルクを発生させる。
ギヤ比可変アクチュエータ21は、ハンドル角とタイヤ角との角度差(ハンドル角に対するタイヤ角の変化度合い)を任意にコントロールできるアクチュエータであり、転舵輪のタイヤ角を任意に変化させる。これによって、ハンドル角に対してタイヤ角が減速される比率(ステアリング機構におけるギヤ比)が、任意に変化する。ギヤ比可変アクチュエータ21では、ECU30からギヤ比可変制御信号を受信すると、ギヤ比可変制御信号に応じてタイヤ角を変化させる。
ECU30は、CPU[Central Processing Unit]、ROM[ReadOnly Memory]、RAM[Random Access Memory]などからなり、操舵制御装置1を統括制御する電子制御ユニットである。ECU30では、一定時間毎に、各センサ10〜13からの信号を受信する。そして、ECU30では、電動パワーステアリング制御を行い、操舵アクチュエータ20に操舵制御信号を送信する。また、ECU30では、ステアリングギヤ比可変制御を行い、ギヤ比可変アクチュエータ21にギヤ比可変制御信号を送信する。
電動パワーステアリング装置について説明する。ECU30では、一定時間毎に、予め用意されている操舵アシストトルクマップを参照し、車速及びハンドル角に応じた目標操舵アシストトルクを設定する。そして、ECU30では、目標操舵アシストトルクを発生させるための操舵制御信号を生成し、その操舵制御信号を操舵アクチュエータ20に送信する。
ステアリングギヤ比可変制御について説明する。まず、ECU30では、一定時間毎に、目標軌跡に沿って車両を走行させるための誘導目標タイヤ角を算出する。この算出方法としては、どのような方法を用いてもよく、例えば、レーンキープや自動運転などで用いられる目標軌跡から誘導目標タイヤ角を求める方法がある。具体的には、白線検知センサ13で検知した一対の白線の中心線(目標軌跡)を取得するとともに、白線検知センサ13で算出した車線の中心に対する自車両のオフセットや自車両のヨー角(つまり、目標軌跡に対する自車両の相対位置)を取得する。そして、一般的なPID制御などを利用し、目標軌跡に対する自車両の相対位置に基づいて自車両を目標軌跡に沿って走行させるための誘導目標タイヤ角を算出する。
誘導目標タイヤ角を算出する毎に、ECU30では、ステアリングギヤ比可変機能でのギヤ比マップに相当するハンドル角タイヤ角対応マップを作成する。図2を参照して、ハンドル角タイヤ角対応マップの具体的な作成方法について説明する。このマップでは、横軸がハンドル角であり、縦軸がタイヤ角であり、プラス側が右回転方向であり、マイナス側が左回転方向である。
まず、右最大ハンドル角から左最大ハンドル角の範囲で、ハンドル角に対してタイヤ角が45°の傾きで対応する基本マップBMを作成する(あるいは、基本マップBMを予め用意しておく)。誘導目標タイヤ角が算出されると、基本マップBMと誘導目標タイヤ角との交点Pを求める。そして、誘導目標タイヤ角付近ではハンドル角の変化に対してタイヤ角が変化し難くするために、ハンドル角タイヤ角対応マップにおいて交点Pを通過する角度θを0°<θ<45°の範囲内で決定する。例えば、式(1)によって交点Pを通過する角度θを決定する。
Figure 2009051355
角度θが0°になると、ハンドル角に対してタイヤ角が変化しない不感帯となる。角度θが45°になると、ハンドル角に対してタイヤ角が基本マップBMと同様に変化する。角度θが45°より大きいと、ハンドル角に対してタイヤ角が基本マップBMよりもクイックに変化する。角度が0°より小さいと、ハンドル角の回転方向に対してタイヤ角が逆方向に変化する。そこで、角度θを0°<θ<45°の範囲内とし、誘導目標タイヤ角付近では、ハンドル角に対してタイヤ角が基本マップBMよりもダルに変化するようにする。
そして、交点Pを角度θで通過しかつ右最大ハンドル角及び左最大ハンドル角で基本マップBMとそれぞれ交差することを条件とし、一般的な曲線式(例えば、スプライン曲線)によってハンドル角タイヤ角対応マップGMを作成する。
このハンドル角タイヤ角対応マップGMでは、タイヤ角が誘導目標タイヤ角付近において、ハンドル角の変化に対してタイヤ角が変化し難く、ステアリング機構におけるギヤ比(減速比)が基本マップBMのギヤ比より大きい。特に、交点Pを通過する角度θが0°に近いほど、ハンドル角の変化に対してタイヤ角が変化し難くなり、ステアリング機構におけるギヤ比が大きくなる。これによって、誘導目標タイヤ角付近では、誘導目標タイヤ角付近のタイヤ角を維持し易く、目標軌跡での走行が容易に可能となる(目標軌跡へ誘導させる傾向が強い)。
一方、タイヤ角が誘導目標タイヤ角付近から離れるほど、ハンドル角の変化に対してタイヤ角が変化し易くなり、ステアリング機構におけるギヤ比が小さくなる。特に、右最大ハンドル角や左最大ハンドル角に近づくほど、ハンドル角の変化に対してタイヤ角がクイックに変化し易くなり、ステアリング機構におけるギヤ比が基本マップBMのギヤ比より小さくなる。これによって、誘導目標タイヤ角付近以外の領域では、ハンドル角に応じてタイヤ角が変化し、手動操作での走行が容易に可能となる。
このハンドル角タイヤ角対応マップGMでは、タイヤ角が誘導目標タイヤ角に近いほどギヤ比が大きくなり、誘導目標タイヤ角から離れると基本マップBMのギヤ比に近づき、やがて、基本マップBMのギヤ比となり、さらに、右最大タイヤ角や左最大タイヤ角に近いほどギヤ比が小さくなる。このように、ハンドル角タイヤ角対応マップGMは、ギヤ比が非線形に変化するマップとなっている。
これによって、このハンドル角タイヤ角対応マップGMでは、誘導目標タイヤ角付近(特許請求の範囲の所定範囲に相当)のタイヤ角に対応するハンドル角の角度範囲(レンジ)は、誘導目標タイヤ角付近以外の領域(特許請求の範囲の所定範囲外に相当)のタイヤ角に対応するハンドル角の角度範囲(レンジ)よりも広くなっている。
ハンドル角タイヤ角対応マップを作成すると、ECU30では、舵角センサ10から実際のハンドル角を取得する。そして、ECU30では、ハンドル角タイヤ角対応マップGMから実ハンドル角に応じたタイヤ角を抽出し、そのタイヤ角を目標タイヤ角とする。さらに、ECU30では、タイヤ角センサ11から実際のタイヤ角を取得する。最後に、ECU30では、一般的なPID制御により、目標タイヤ角と実タイヤ角との差に基づいて実タイヤ角が目標タイヤ角になるためのギヤ比可変制御信号を生成し、そのギヤ比可変制御信号をギヤ比可変アクチュエータ21に送信する。
図1及び図2を参照して、操舵制御装置1におけるステアリングギヤ比可変制御の動作について説明する。特に、ECU30における処理については、図3のフローチャートに沿って説明する。図3は、図1のECUにおけるステアリングギヤ比可変制御の流れを示すフローチャートである。
舵角センサ10では、ドライバの手動操作による舵角(実ハンドル角)を検出し、舵角信号をECU30に送信している。タイヤ角センサ11では、転舵輪のタイヤ角を検出し、タイヤ角信号をECU30に送信している。各輪の車輪速センサ12では、車輪の回転パルス数を検出し、車輪速信号をECU30に送信している。白線検知センサ13では、自車両の前方を撮像し、その撮像画像に基づいて一対の白線を検知するとともに白線と自車両との関係を示す各情報を算出し、白線検知信号をECU30に送信している。
一定時間毎に、ECU30では、白線検知センサ13から一対の白線に関する情報を取得する(S1)。そして、ECU30では、一対の白線の中心線を目標軌跡とし、その目標軌跡に対する自車両の相対位置に基づいて誘導目標タイヤ角を算出する(S2)。
誘導目標タイヤ角を算出する毎に、ECU30では、ハンドル角に対してタイヤ角が45°の傾きで対応する基本マップBMを生成する(S3)。そして、ECU30では、誘導目標タイヤ角と基本マップBMとの交点Pを決定する(S4)。さらに、ECU30では、交点Pを通過する角度θ(0°<θ<45°)を決定する(S5)。そして、ECU30では、交点Pを角度θで通過しかつ右最大ハンドル角及び左最大ハンドル角で基本マップBMとそれぞれ交差する曲線からなるハンドル角タイヤ角対応マップGMを生成する(S6)。
ECU30では、舵角センサ10から実ハンドル角を取得する(S7)。そして、ECU7では、ハンドル角タイヤ角対応マップGMに基づいて、実ハンドル角に応じた目標タイヤ角を決定する(S8)。また、ECU30では、タイヤ角センサ11から実タイヤ角を取得する(S9)。そして、ECU30では、目標タイヤ角と実タイヤ角との差に基づいてギヤ比可変制御信号を生成し、そのギヤ比可変制御信号をギヤ比可変アクチュエータ21に送信する(S10)。このギヤ比可変制御信号を受信すると、ギヤ比可変アクチュエータ21では、ギヤ比可変制御信号に応じてタイヤ角を変化させる。これによって、自車両のタイヤ角は、ハンドル角タイヤ角対応マップGMから求められた実ハンドル角に対応する目標タイヤ角になるように制御される。
ドライバが車線の中心を走行しようとハンドル操作を行っている場合、そのハンドル操作に応じて、タイヤ角は誘導目標タイヤ角付近となる。この際、ステアリング機構における減速比が通常より大きくなっているので、ドライバは、ハンドルを多少動かしてもタイヤ角が殆ど変化しないため、誘導目標タイヤ角付近でのタイヤ角を容易に維持できる。また、ハンドル角の変化に対してタイヤ角の変化が少ないので、ドライバは、タイヤ角の微調整を容易に行うことができる。そのため、手動トルクと関係なく車線の中心に沿った走行を容易にできる。
ドライバが車線の中心から少しずれて走行しようとハンドル操作を行っている場合(例えば、轍を外して走行する場合、隣の大型車を少し避ける場合)、そのハンドル操作に応じて、タイヤ角は誘導目標タイヤ角付近から少しはずれたタイヤ角となる。この際、ステアリング機構における減速比が基本マップBM程度かあるいはそれより小さくかつ操舵アシストトルクによる阻害もないので、ドライバは自身の意図に従って容易にハンドル操作を行うことができ、そのハンドル操作に応じてタイヤ角も変化する。そのため、ドライバの意図した軌跡に沿った走行を容易にできる。
ドライバが車両の向きを急に変えようとハンドル操作を行っている場合(例えば、前方の障害物を避ける場合)、そのハンドル操作に応じて、タイヤ角は右最大タイヤ角又は左最大タイヤ角付近となる。この際、ステアリング機構における減速比が小さくなっているので、ドライバは意図したハンドル操作を迅速に行うことができ、そのハンドル操作に応じてタイヤ角がクイックに変化する。そのため、車両の向きを素早く変えることができる。
この操舵制御装置1によれば、誘導目標タイヤ角に応じてステアリング機構におけるギヤ比を調整し、誘導目標タイヤ角付近のギヤ比を大きくすることにより、手動運転中に、操舵アシストトルクが無くても目標軌跡への誘導が可能となり、目標軌跡付近での走行を容易にできる。特に、運転が苦手なドライバでも、目標軌跡に沿った走行を容易にでき、目標軌跡付近での走行ラインの微調整も容易に行うことができる。
また、この操舵制御装置1によれば、誘導目標タイヤ角付近以外でのギヤ比を小さくすることにより、ドライバの希望に沿った走行を容易に行うことができ、目標軌跡から外れた走行も可能である。特に、最大ハンドル角(最大タイヤ角)付近のギヤ比を通常より小さくしているので、障害物回避などの緊急時にドライバの意図に従った迅速な操舵を行うことができる。
この操舵制御装置1では、誘導目標タイヤ角に応じてハンドル角タイヤ角対応マップを作成することにより、ハンドル角タイヤ角対応マップからドライバによるハンドル角に応じた目標タイヤ角を簡単に抽出でき、ハンドル角タイヤ角対応マップに従ってステアリング機構におけるギヤ比を調整できる。
この操舵制御装置1では、ステアリングギヤ比可変機能を利用しているので、ステアリング機構におけるギヤ比を簡単に調整でき、ハンドル角タイヤ角対応マップに基づく操舵制御を容易に行うことができる。
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
例えば、本実施の形態ではステアリングギヤ比可変機能と電動パワーステアリング機能を有する操舵制御装置に適用したが、ステアリングギヤ比可変装置と電動パワーステアリング装置を別体で構成してもよいし、あるいは、レーンキープ装置、自動運転装置などの他の装置に適用してもよい。レーンキープや自動運転を行う際に目標軌跡に誘導するための操舵アシストトルクを付与するものにも適用可能である。
また、本実施の形態ではステアリングギヤ比可変機能を利用してステアリング特性(減速比)を制御する構成としたが、他の構成によってステアリング特性を制御する構成としてもよい。
また、本実施の形態では1つのECUで構成する形態としたが、電動パワーステアリング制御、ステアリングギヤ比可変制御などのECUを別体で構成してもよい。
また、本実施の形態ではハンドル角タイヤ角対応マップを作成し、このハンドル角タイヤ角対応マップを用いてギヤ比(タイヤ角)を変化させる制御を行う構成としたが、このようなマップを作成せずに、ギヤ比(タイヤ角)を変化させる制御を行う構成としてもよい。
本実施の形態に係る操舵制御装置の構成図である。 ハンドル角タイヤ角対応マップの一例である。 図1のECUにおけるステアリングギヤ比可変制御の流れを示すフローチャートである。
符号の説明
1…操舵制御装置、10…舵角センサ、11…タイヤ角センサ、12…車輪速センサ、13…白線検知センサ、20…操舵アクチュエータ、21…ギヤ比可変アクチュエータ、30…ECU

Claims (4)

  1. 車両の操舵制御装置であって、
    所定範囲のタイヤ角度に対応するステアリング操作角度のレンジを所定範囲外のタイヤ角度に対応するステアリング操作角度のレンジよりも広く設定するステアリング特性設定手段を備えることを特徴とする操舵制御装置。
  2. 所定範囲のタイヤ角度は、車両走行における目標軌跡によって決定されることを特徴とする請求項1に記載する操舵制御装置。
  3. ステアリング操作角度と当該ステアリング操作角度に対するタイヤ角度との関係を規定した基本マップを備え、
    前記ステアリング特性設定手段は、目標軌跡を達成するためのタイヤ角度に対応するステアリング操作角度のレンジを基本マップに比べて広く設定することを特徴とする請求項2に記載する操舵制御装置。
  4. ステアリング機構における減速比を変化させるステアリング減速比可変機構を備え、
    前記ステアリング特性設定手段は、目標とするタイヤ角度に近いほど前記ステアリング減速比可変機構による減速比を大きく設定することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載する操舵制御装置。
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