JP2009279967A - 操舵装置、操舵模擬装置、及び操舵制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】運転者が操舵時にステアリングから受ける抵抗感をほぼ一定にするように操舵角と操舵トルクとの関係を制御する。
【解決手段】ステアリングの操作に応じて操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵制御ブロックは、ステアリングの切り始めまたはステアリングの回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとに関して、ｄ²Ｙ／ｄＸ²がＸに比例する関係が略成立するように、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御する。
【選択図】図９

Description

本発明は、操舵装置、操舵模擬装置、及び操舵制御方法に関し、詳しくは、ステアリングの操作に応じて操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵装置、操舵模擬装置、及び操舵制御方法に関する。

ステアリングの操舵トルクは運転者が自動車の向きを制御する際に加えるもので、これはタイヤの復元力、ステアリングシャフトの剛性、粘性、摩擦、パワーステアリングによるアシストトルク等の各要素の和と釣り合うものである。パワーステアリングによるアシストトルクは、元来、運転者の操舵負担を軽減すること、及び低車速域での取り回し性能を向上させることを目的として、操舵トルクと同じ向きに加えられることが多かった。しかし、近年では、高車速域での安定性を向上させるために操舵トルクと逆の向きに加えるといった、車速によりアシスト方法を可変にする技術が提案されている（例えば下記特許文献１）。

一方、運転者にとって良好な操舵感は、操舵角と操舵トルクがある適切な関係の元で変化するときに得られる。上述したように、操舵トルクの大きさはタイヤやステアリングシャフトの機械的な特性の影響を受けるが、これらは車速によって特性が変化することが知られており、車速変化に伴って操舵感が変化（悪化）することが問題視されている。これを解決するため、パワーステアリングによるアシストトルクを制御して、車速によらず結果として常に一定の操舵角と操舵トルクとの関係を維持する技術が提案されている（例えば下記特許文献２）。

特開２００４−１７５１６３号公報 特開２００３−２８５７５３号公報

ステアリングを操作する運転者の操舵感は、操舵角と操舵トルクとの関係に依存する。操舵トルクの増大に対して操舵角が過度に増加すると、ステアリングからの抵抗感の小さい頼りない感覚を運転者が受けることになる。反対に、操舵トルクの増大に対して操舵角の増加が足りないと、ステアリングからの抵抗感の大きい壁感を運転者が受けることになる。また、運転者がステアリングを操作しているときにステアリングから受ける抵抗感が変化すると、運転者に違和感を与えることになる。運転者の操舵感を向上させるためには、操舵トルクの増大に対して過不足無い増分で操舵角が変化し、さらに、運転者が操舵時にステアリングから受ける抵抗感をほぼ一定にすることが望ましい。特許文献１，２では、操舵角と操舵トルクとの関係を制御する際に、運転者がステアリングから受ける抵抗感を一定にすることについては、何ら考慮されていない。その結果、運転者が操舵時にステアリングから受ける抵抗感が変動して、運転者に違和感を与えることになる。

本発明は、運転者が操舵時にステアリングから受ける抵抗感をほぼ一定にするように操舵角と操舵トルクとの関係を制御することを目的とする。

本発明に係る操舵装置、操舵模擬装置、及び操舵制御方法は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る操舵装置は、ステアリングの操作に応じて操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵装置であって、ステアリングの切り始めまたはステアリングの回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとに関して、ｄ²Ｙ／ｄＸ²がＸに比例する関係が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵制御手段を備えることを要旨とする。

本発明の一態様では、操舵制御手段は、ｄ²Ｙ／ｄＸ²とＸとの間の比例係数を車速に応じて変化させることが好適である。

また、本発明に係る操舵装置は、ステアリングの操作に応じて操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵装置であって、ステアリングの切り始めまたはステアリングの回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとに関して、ｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)とｌｏｇ(Ｘ)との線形関係が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵制御手段を備えることを要旨とする。

本発明の一態様では、操舵制御手段は、Ｘが所定量以上である場合にｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)とｌｏｇ(Ｘ)との線形関係が略成立し、Ｘが当該所定量より小さい場合にＹがＸに比例する関係が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御することが好適である。

本発明の一態様では、操舵制御手段は、ｗ、Ｅを係数とすると、
ｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)＝−ｗ×ｌｏｇ(Ｘ)＋Ｅ
が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御し、さらに、係数Ｅを車速に応じて変化させることが好適である。

また、本発明に係る操舵模擬装置は、ステアリングの操作に応じて操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵模擬装置であって、ステアリングの切り始めまたはステアリングの回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとに関して、ｄ²Ｙ／ｄＸ²がＸに比例する関係が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵制御手段を備えることを要旨とする。

また、本発明に係る操舵模擬装置は、ステアリングの操作に応じて操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵模擬装置であって、ステアリングの切り始めまたはステアリングの回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとに関して、ｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)とｌｏｇ(Ｘ)との線形関係が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵制御手段を備えることを要旨とする。

また、本発明に係る操舵制御方法は、ステアリングの操作に応じて操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵制御方法であって、ステアリングの切り始めまたはステアリングの回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとに関して、ｄ²Ｙ／ｄＸ²がＸに比例する関係が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御することを要旨とする。

また、本発明に係る操舵制御方法は、ステアリングの操作に応じて操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵制御方法であって、ステアリングの切り始めまたはステアリングの回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとに関して、ｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)とｌｏｇ(Ｘ)との線形関係が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御することを要旨とする。

本発明によれば、運転者が操舵時にステアリングから受ける抵抗感をほぼ一定にするように操舵角と操舵トルクとの関係を制御することができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る操舵装置２０の概略構成を示す図である。本実施形態に係る操舵装置２０は、車両に搭載されるものであり、図示するように、車両の操舵輪３０，３２を操舵するために運転者（操作者）により操作されるステアリング２２と、運転者のステアリング操作により回転駆動されるステアリングシャフト２４と、ステアリングシャフト２４の回転運動を直線運動に変換して操舵輪３０，３２へ伝達するラックアンドピニオン機構２８と、操舵輪３０，３２の切り角を変更するための操舵アシストトルクを減速機３４を介してステアリングシャフト２４へ伝達して操舵輪３０，３２へ出力する電動パワーステアリング装置用モータ（操舵アクチュエータ）４２と、ステアリング２２の角度（操舵角）を検出する操舵角センサ２３と、ステアリング２２のトルク（操舵トルク）を検出する操舵トルクセンサ２５と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット５０と、を備える。

電子制御ユニット５０は、ＣＰＵ５２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ５４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ５６と、入出力ポート（図示せず）と、を備える。この電子制御ユニット５０には、操舵角センサ２３からの操舵角ｙ、操舵トルクセンサ２５からの操舵トルクｘ、及び車速センサ５８からの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット５０からは、電動パワーステアリング装置用モータ４２への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。

図２は、操舵装置２０の電子制御ユニット５０がステアリング２２の操作に応じて操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御する操舵制御ブロック６０として動作するときの制御ブロックを例示する説明図である。図示するように、操舵制御ブロック６０は、ステアリング２２の回転方向を判定するステアリング回転方向判定部６２と、操舵角ｙに対して操舵トルクｘを制御するための操舵トルク指令値ｘｔを演算する操舵トルク指令値演算部６６と、を有する。電子制御ユニット５０では、この操舵制御ブロック６０により演算された操舵トルク指令値ｘｔと操舵トルクセンサ２５により検出される操舵トルクｘとに基づいてステアリング２２に作用する操舵トルクｘが操舵反力指令値ｘｔとなるよう電動パワーステアリング装置用モータ４２を駆動制御する。これによって、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御する。ここでの電動パワーステアリング装置用モータ４２の駆動制御については、例えば操舵トルク指令値ｘｔと操舵トルクｘとの偏差に基づくＰＩ（比例積分）制御を用いることができる。なお、操舵角ｙ及び操舵トルクｘについては、ステアリング２２の反時計まわり方向を正とする。

操舵制御ブロック６０におけるステアリング回転方向判定部６２では、操舵角センサ２３により検出される操舵角ｙに基づいて、ステアリング２２の回転方向が判定される。より具体的には、前回入力した操舵角ｙと今回入力した操舵角ｙとの差の符号、すなわち正負によりステアリング２２の回転方向が判定される。操舵トルク指令値演算部６６では、ステアリング回転方向判定部６２の判定結果（ステアリング２２の回転方向）と操舵角ｙと操舵トルクｘと車速Ｖとに基づいて操舵トルク指令値ｘｔを演算する。

運転者がステアリング２２を操作する際には、ステアリング２２から抵抗感を受ける。運転者が操舵時にステアリング２２から受ける抵抗感が変動すると、運転者が違和感を受けることになる。運転者の操舵感を向上させるためには、運転者が操舵時にステアリング２２から受ける抵抗感をほぼ一定にするように、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御することが望ましい。

本願発明者は、評価グリッド法による分析手法を用いて、運転者が操舵時にステアリング２２から受ける抵抗感に関係のある物理量を抽出した。その際には、まず「ステアリング２２から受ける抵抗感」をどのような現象から判断しているかについて運転者（評価パネラ）にインタビューを行い、「ステアリング２２から受ける抵抗感が大きい」とは、「ステアリング２２の操作時に手にかかる力や腕の負担が大きい」、及び「ステアリング２２に操舵トルクを入力したときに操舵角の応答（変化量）が小さい」という結果が得られた。次に、これらの現象がどのような物理量と関係しているかについて運転者にインタビューを行い、「ステアリング２２の操作時に手にかかる力や腕の負担が大きい」とは「操舵トルクｘが大きい」、「ステアリング２２に操舵トルクを入力したときに操舵角の応答が小さい」とは「操舵系の剛性（ばね定数）ｄｘ／ｄｙが大きい」という結果が得られた。すなわち、「ステアリング２２から受ける抵抗感」に関係のある物理量が「操舵トルクｘ」と「操舵系の剛性（ばね定数）ｄｘ／ｄｙ」であるという結果が得られた。

次に、本願発明者は、運転者が受ける抵抗感をほぼ一定にする操舵トルクｘと操舵系の剛性ｄｘ／ｄｙとの関係を検討するために、図３に示すような、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を変更できるドライビングシミュレータを用いて、運転者が操舵時にステアリング１２２から受ける抵抗感を調べる実験を行った。図３に示すドライビングシミュレータにおいては、ステアリング１２２の操舵角ｙに基づいてモータ１４２からステアリング１２２に作用させるトルクを制御することで、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御することが可能である。実験の際には、まず操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を図４Ａに示すような操舵系の剛性ｄｘ／ｄｙがｋ_A（高剛性）となる関係に設定した条件（条件Ａとする）で、操舵トルクｘを０から増加させる方向（反時計まわり方向）にステアリング１２２を操舵したときの抵抗感を運転者（被験者）１２３に評価させた。次に、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を図４Ｂに示すような操舵系の剛性ｄｘ／ｄｙがｋ_B（低剛性、ｋ_B＜ｋ_A）となる関係に設定した条件（条件Ｂとする）で、操舵トルクｘを増加させる方向にステアリング１２２を操舵したときの抵抗感を運転者１２３に評価させ、条件Ａで操舵トルクｘ＝０から操舵したときの抵抗感と同じ抵抗感になる操舵トルクの値ｘ_Bを運転者１２３に評価させた。つまり、「操舵トルク０且つ操舵系の剛性ｋ_A」の場合と「操舵トルクｘ_B且つ操舵系の剛性ｋ_B」の場合とで、抵抗感が同じとなる。さらに、条件Ａを固定して、条件Ｂでの操舵系の剛性ｋ_Bを様々に変化させながら、条件Ａで操舵トルク０から操舵したときと同じ抵抗感になる操舵トルクｘ_Bを運転者１２３に評価させた。これによって、抵抗感が同じとなる操舵トルクｘ及び操舵系の剛性ｄｘ／ｄｙの組を多数抽出した。

抵抗感が同じとなる操舵トルクｘ及び操舵系の剛性ｄｘ／ｄｙの組を調べた実験結果を図５に示す。図５は、抵抗感が一定となるときの操舵トルクの２乗ｘ²と操舵系の剛性の逆数ｄｙ／ｄｘ（ｙの１階微分）との関係を表している。図５に示すように、抵抗感が一定となるときの操舵トルクの２乗ｘ²と操舵系の剛性の逆数ｄｙ／ｄｘとの関係はほぼ線形関係であり、その傾きが正となる。つまり、抵抗感が一定である場合に、操舵系の剛性の逆数ｄｙ／ｄｘは、操舵トルクの２乗ｘ²の一次関数で近似して表すことができ、以下の（１）式で表すことができる。（１）式において、ａ，ｃ₁は係数であり、図５から、ａ＞０、ｃ₁＞０である。

（１）式をｘに関して微分すると、以下の（２）式が得られる。（２）式は、抵抗感が一定となるときの操舵トルクｘとｄ²ｙ／ｄｘ²（ｙの２階微分）との関係がほぼ比例関係であることを示しており、正の係数ａがｄ²ｙ／ｄｘ²とｘとの間の比例係数となる。

また、（１）式をｘに関して積分すると、以下の（３）式が得られる。（３）式において、ｃ₂は係数である。（３）式は、抵抗感が一定である場合に、操舵角ｙが操舵トルクｘの三次関数で近似して表せることを示している。

したがって、操舵角ｙと操舵トルクｘとに関して（１）〜（３）式が成立する（あるいはほぼ成立する）場合に、運転者がステアリング２２から受ける抵抗感がほぼ一定となる。

ただし、操舵トルクｘが小さいときは、運転者は操舵トルクｘを知覚しない傾向にあり、「ステアリング２２から受ける抵抗感」に関係のある物理量として、「操舵系の剛性（ばね定数）ｄｘ／ｄｙ」の寄与が高くなる。そのため、操舵トルクｘが小さい条件で抵抗感をほぼ一定にするためには、操舵系の剛性ｄｘ／ｄｙがほぼ一定、すなわち操舵角ｙと操舵トルクｘがほぼ線形関係であることが好ましい。本願発明者は、図３に示すドライビングシミュレータを用いて、運転者（人間）の操舵トルクに対する知覚閾値特性を調べる実験も行った。より具体的には、０から徐々に大きくなるトルクを評価入力としてモータ１４２からステアリング１２２に与えることで運転者（被験者）１２３に提示し、その提示された評価入力（トルク）を運転者１２３が初めて知覚した時点でのトルクを調べ、そのトルクを運転者１２３の操舵トルク知覚閾値とした。この実験から、運転者１２３の操舵トルク知覚閾値が約１．０［Ｎｍ］である結果が得られた。そのため、操舵トルクｘが約１．０［Ｎｍ］程度の操舵トルク知覚閾値よりも小さい条件では、抵抗感をほぼ一定にするために、操舵角ｙと操舵トルクｘがほぼ線形関係であることが好ましい。ただし、（３）式において、操舵トルクｘが小さい条件では、３次の項が十分小さいため、操舵角ｙと操舵トルクｘが線形関係にあると近似することが可能である。

また、運転者がステアリング２２を操作する際には、ステアリング２２を切り増したり切り戻したりするため、ステアリング２２の回転方向がその時々に応じて変化し、ステアリング２２の回転方向が切り替わった時点での操舵角ｙ及び操舵トルクｘもその時々に応じて変化する。そこで、本実施形態では、操舵制御ブロック６０は、ステアリング２２の切り始めの時点またはステアリング２２の回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとに関して、操舵トルク変化量の２乗Ｘ²とｄＹ／ｄＸとの傾きが正となる線形関係、すなわち以下の（４）式が成立する（あるいはほぼ成立する）ように、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御する。つまり、操舵制御ブロック６０は、ｄ²Ｙ／ｄＸ²が操舵トルク変化量Ｘに正の比例係数で比例する関係、すなわち以下の（５）式が成立する（あるいはほぼ成立する）ように、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御する。以下、そのための処理について、図６のフローチャートを用いて説明する。

まずステップＳ１０１では、操舵角ｙ［ｄｅｇ］、操舵トルクｘ［Ｎｍ］、及び車速Ｖ［ｋｍ／ｈ］が読み込まれる。ステップＳ１０２では、ステアリング２２の回転方向（操舵方向）が切り替わったか否かがステアリング回転方向判定部６２で判定される。ここでは、前回入力した操舵角ｙと今回入力した操舵角ｙとの差の符号（正負）が反転したか否かを判定することで、ステアリング２２の回転方向が切り替わったか否かを判定することができる。ステアリング２２の回転方向が切り替わったと判定された場合（ステップＳ１０２の判定結果がＹＥＳの場合）は、ステップＳ１０３において、基準操舵角ｙ₀の値がステップＳ１０２でステアリング２２の回転方向が切り替わったと判定された時点での操舵角ｙに更新されるとともに、基準操舵トルクｘ₀の値がステアリング２２の回転方向が切り替わったと判定された時点での操舵トルクｘに更新される。そして、ステップＳ１０４に進む。一方、ステアリング２２の回転方向が切り替わっていないと判定された場合（ステップＳ１０２の判定結果がＮＯの場合）は、ステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、現時点での操舵角ｙと基準操舵角ｙ₀との差の絶対値｜ｙ−ｙ₀｜が算出されることで、ステアリング２２の切り始めの時点またはステアリング２２の回転方向が切り替わった時点からの操舵角変化量（絶対値）Ｙが算出され、現時点での操舵トルクｘと基準操舵トルクｘ₀との差の絶対値｜ｘ−ｘ₀｜が算出されることで、ステアリング２２の切り始めの時点またはステアリング２２の回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量（絶対値）Ｘが算出される。なお、ステアリング２２の切り始めにおいては、基準操舵角ｙ₀の値及び基準操舵トルクｘ₀の値はいずれも０に設定されている。

ステップＳ１０５では、係数ｃ₁［ｄｅｇ／Ｎｍ］の値が設定される。（４）式から、係数ｃ₁はＸ＝０のときのｄＹ／ｄＸの値を表し、係数ｃ₁の値が小さいほど保舵及び切り返し時に舵が安定する傾向にあるため、ここでは係数ｃ₁を例えば０．１［ｄｅｇ／Ｎｍ］程度の小さい値に設定する。ステップＳ１０６では、ｄ²Ｙ／ｄＸ²とＸとの間の比例係数ａ［ｄｅｇ／(Ｎｍ)³］の値が設定される。ここでは、車速Ｖに基づいて係数ａの値が設定され、例えば以下の（６）式が成立するように係数ａの値が設定される。これによって、車速Ｖに応じて係数ａの値が変化し、車速Ｖの増大に対して係数ａの値が減少する。そのため、高車速域では、係数ａの値が小さく、操舵に大きな操舵トルクが必要な特性となり、低車速域では、係数ａの値が大きく、小さい操舵トルクで操舵が可能となる。

ステップＳ１０７では、操舵トルク指令値ｘｔが操舵トルク指令値演算部６６で算出される。ここでは、以下の（７）式が成立するように操舵トルク指令値ｘｔが算出される。その際には、（７）式において、与えられた操舵角変化量Ｙ（操舵角ｙと基準操舵角ｙ₀）に対応するＸの値を算出し、ｙ−ｙ₀≧０の場合は基準操舵トルクｘ₀とこの算出されたＸとの和を操舵トルク指令値ｘｔとし、ｙ−ｙ₀＜０の場合は基準操舵トルクｘ₀とこの算出されたＸとの差を操舵トルク指令値ｘｔとする。（７）式をＸに関して微分すると（４）式が得られるため、（７）式が成立するように操舵トルク指令値ｘｔを算出することで、操舵角ｙに対して抵抗感をほぼ一定にするための操舵トルク指令値ｘｔを算出することができる。なお、（７）式では、（３）式の係数ｃ₂の値を０としている。

ステップＳ１０８では、操舵トルクｘが現時点での操舵角ｙに対する操舵トルク指令値ｘｔに一致する（あるいはほぼ一致する）ように電動パワーステアリング装置用モータ４２のトルクが制御される。これによって、（７）式が成立する（ｄ²Ｙ／ｄＸ²がＸに比例する）ように操舵角ｙに対して操舵トルクｘが制御され、抵抗感がほぼ一定となるように操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係が制御される。そして、ステップＳ１０９では、操舵制御を終了するか否かが判定される。操舵角ｙと操舵トルクｘとのいずれかが０でない値であり、操舵制御を終了しない場合（ステップＳ１０９の判定結果がＮＯの場合）は、ステップＳ１０１に戻る。一方、操舵角ｙ及び操舵トルクｘがいずれも０（あるいはほぼ０）であり、操舵制御を終了する場合（ステップＳ１０９の判定結果がＹＥＳの場合）は、本処理の実行を終了する。

図６のフローチャートの処理によれば、操舵角ｙ＝０且つ操舵トルクｘ＝０の状態から運転者が操舵角ｙを増大させる方向にステアリング２２を切り始めた場合は、図７，８に示すように、（３）式に示す関係に従って操舵角ｙの増大とともに操舵トルクｘが増大し、車速Ｖが一定の状態では、ｄ²ｙ／ｄｘ²がｘに比例するよう操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係が制御される。さらに、図７，８に示すように、車速Ｖが高くなるほど比例係数ａの値（操舵トルクｘに対するｄ²ｙ／ｄｘ²の傾き）が減少し、同じ操舵トルクｘに対して操舵角ｙが減少する。

また、操舵角ｙ＝ｙ₁且つ操舵トルクｘ＝ｘ₁（図９の点Ａ）のときにステアリング２２の回転方向が操舵角ｙの減少方向から増大方向に切り替わった場合は、図９の特性線Ｂに示すように、基準操舵角ｙ₀＝ｙ₁且つ基準操舵トルクｘ₀＝ｘ₁としたときの（７）式に示す関係に従って操舵角ｙの増大とともに操舵トルクｘが増大し、車速Ｖが一定の状態では、ｄ²Ｙ／ｄＸ²がＸに比例するよう操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係が制御される。そして、操舵角ｙ＝ｙ₂且つ操舵トルクｘ＝ｘ₂（図９の点Ｃ）のときにステアリング２２の回転方向が操舵角ｙの増大方向から減少方向に切り替わった場合は、図９の特性線Ｄに示すように、基準操舵角ｙ₀＝ｙ₂且つ基準操舵トルクｘ₀＝ｘ₂としたときの（７）式に示す関係に従って操舵角ｙの減少とともに操舵トルクｘが減少し、車速Ｖが一定の状態では、ｄ²Ｙ／ｄＸ²がＸに比例するよう操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係が制御される。

また、図６のフローチャートの処理においては、操舵トルク変化量Ｘ［Ｎｍ］が所定量以下であるときに、（７）式が成立する（ｄ²Ｙ／ｄＸ²がＸに比例する）ように操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御することも可能である。ここでの所定量としては、例えば２．５〜３．０［Ｎｍ］程度の値を設定することが可能である。その場合において、操舵トルク変化量Ｘが所定量よりも大きいときの操舵角変化量Ｙと操舵トルク変化量Ｘとの関係については、例えば一次関数や二次関数等、任意に設定することが可能である。

以上説明した実施形態によれば、ｄ²Ｙ／ｄＸ²が操舵トルク変化量Ｘに比例する関係が略成立するように、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御することで、運転者が操舵時にステアリング２２から受ける抵抗感の変動を抑制して抵抗感をほぼ一定にすることができる。その結果、運転者が操舵時に違和感を受けるのを抑制することができ、運転者の操舵感を向上させることができる。

また、低車速領域での車両の取り回し性を向上させるためには、小さい操舵トルクｘで操舵角ｙが変化することが好ましく、高車速領域での車両の走行安定性を向上させるためには、操舵角ｙを変化させるのに必要な操舵トルクｘを大きくすることが好ましい。以上説明した実施形態では、ｄ²Ｙ／ｄＸ²と操舵トルク変化量Ｘとの間の比例係数ａを車速Ｖに応じて変化させ、車速Ｖの増大に対して比例係数ａを減少させることで、ｄ²Ｙ／ｄＸ²とＸとの比例関係を維持しながら、低車速領域では小さい操舵トルクｘで操舵角ｙを変化させることができ、高車速領域では操舵角ｙを変化させるのに必要な操舵トルクｘを大きくすることができる。したがって、運転者が操舵時にステアリング２２から受ける抵抗感をほぼ一定に保ちながら、車速Ｖに応じた車両の取り回し性及び走行安定性の向上を図ることができる。

本願発明者は、図３に示すドライビングシミュレータを用いて、（７）式が成立する（ｄ²Ｙ／ｄＸ²がＸに比例する）ように操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御した場合の抵抗感を運転者（被験者）に評価させる確認実験を行った。この確認実験の際には、以下の（８）式が成立するように操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御した場合の抵抗感を、（８）式におけるｂの値を変化させながら運転者に評価させた。この確認実験により、ｂ＝３の場合、すなわちｄ²Ｙ／ｄＸ²がＸに比例する場合に、操舵時の抵抗感の変動が少なくほぼ一定となる評価結果が得られた。

次に、操舵制御ブロック６０の他の構成例について説明する。ここで、抵抗感が同じとなる操舵トルクｘ及び操舵系の剛性ｄｘ／ｄｙの組を調べた前述の実験結果を、操舵トルクの対数（自然対数）ｌｏｇ(ｘ)と操舵系の剛性の対数（自然対数）ｌｏｇ(ｄｘ／ｄｙ)との関係で整理して図１０に示す。図１０に示すように、抵抗感が一定となるときの操舵トルクの対数ｌｏｇ(ｘ)と操舵系の剛性の対数ｌｏｇ(ｄｘ／ｄｙ)との関係はほぼ線形関係であり、その傾きが負となる。つまり、抵抗感が一定である場合に、操舵系の剛性の対数ｌｏｇ(ｄｘ／ｄｙ)は、操舵トルクの対数ｌｏｇ(ｘ)の一次関数で近似して表すことができ、以下の（９）式で表すことができる。（９）式において、ｗ，Ｅは係数であり、図１０から、ｗ＞０、Ｅ＞０である。

（９）式を変形すると、以下の（１０）式が得られる。（１０）式において、ｅは自然対数の底であり、ｃは係数である。（１０）式は、抵抗感が一定である場合に、操舵角ｙが操舵トルクｘのべき乗（ｗ＋１乗）の関数（ｘ^w+1の一次関数）で近似して表せることを示している。

したがって、操舵角ｙと操舵トルクｘとに関して（９）、（１０）式が成立する（あるいはほぼ成立する）場合においても、運転者がステアリング２２から受ける抵抗感がほぼ一定となる。

ただし、前述のように、操舵トルクｘがトルク知覚閾値（約１．０［Ｎｍ］程度の値）よりも小さい条件では、運転者は操舵トルクｘを知覚しない傾向にあり、「ステアリング２２から受ける抵抗感」に関係のある物理量として、「操舵系の剛性（ばね定数）ｄｘ／ｄｙ」の寄与が高くなる。また、運転者がステアリング２２を操作する際には、ステアリング２２の回転方向が切り替わった時点での操舵角ｙ及び操舵トルクｘがその時々に応じて変化する。そこで、操舵制御ブロック６０は、ステアリング２２の切り始めの時点またはステアリング２２の回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとに関して、操舵トルク変化量Ｘが所定量Ｘ₀よりも小さい場合は、操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとの傾きが正となる線形関係が成立する（あるいはほぼ成立する）ように、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御する。一方、操舵トルク変化量Ｘが所定量Ｘ₀以上である場合は、操舵制御ブロック６０は、操舵トルク変化量の対数（自然対数）ｌｏｇ(Ｘ)とｄＸ／ｄＹの対数（自然対数）ｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)との傾きが負となる線形関係、すなわち以下の（１１）式が成立する（あるいはほぼ成立する）ように、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御する。ここでは、以下の（１２）、（１３）式が成立する（あるいはほぼ成立する）ように、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御することで、（１２）式と（１３）式とでＸ＝Ｘ₀のときのＹの値及びｄＹ／ｄＸの値が一致する。ここでの所定量Ｘ₀は、運転者のトルク知覚閾値に相当し、例えば約１．０［Ｎｍ］程度の値を設定することができる。

次に、（１２）、（１３）式が成立するように操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御するための処理について、図１１のフローチャートを用いて説明する。ステップＳ２０１〜Ｓ２０３については、図６のフローチャートのステップＳ１０１〜Ｓ１０３と同様である。ステップＳ２０４では、ステアリング２２の切り始めの時点またはステアリング２２の回転方向が切り替わった時点からの操舵角変化量Ｙ（現時点での操舵角ｙと基準操舵角ｙ₀との差の絶対値｜ｙ−ｙ₀｜）と、操舵トルク変化量Ｘ（現時点での操舵トルクｘと基準操舵トルクｘ₀との差の絶対値｜ｘ−ｘ₀｜）とが算出される。ステップＳ２０５では、係数ｗの値が設定される。ここでの係数ｗの値については、例えば１〜２程度の値に設定する。ステップＳ２０６では、係数Ｅの値が設定される。ここでは、車速Ｖに基づいて係数Ｅの値が設定され、車速Ｖの増大に対して係数Ｅの値が増大するように設定される。ステップＳ２０７では、操舵トルク指令値ｘｔが操舵トルク指令値演算部６６で算出される。操舵角変化量Ｙがｅ^-E・Ｘ₀ ^w+1よりも小さい場合は、（１２）式が成立するように操舵トルク指令値ｘｔが算出され、操舵角変化量Ｙがｅ^-E・Ｘ₀ ^w+1以上である場合は、（１３）式が成立するように操舵トルク指令値ｘｔが算出される。その際には、（１２）式または（１３）式において、与えられた操舵角変化量Ｙ（操舵角ｙと基準操舵角ｙ₀）に対応するＸの値を算出し、ｙ−ｙ₀≧０の場合は基準操舵トルクｘ₀とこの算出されたＸとの和を操舵トルク指令値ｘｔとし、ｙ−ｙ₀＜０の場合は基準操舵トルクｘ₀とこの算出されたＸとの差を操舵トルク指令値ｘｔとする。（１３）式をＸに関して微分して変形すると（１１）式に相当する式が得られるため、（１３）式が成立するように操舵トルク指令値ｘｔを算出することで、操舵角ｙに対して抵抗感をほぼ一定にするための操舵トルク指令値ｘｔを算出することができる。ステップＳ２０８，Ｓ２０９については、図６のフローチャートのステップＳ１０８，Ｓ１０９と同様である。

図１１のフローチャートの処理によれば、操舵角ｙ＝０且つ操舵トルクｘ＝０の状態から運転者が操舵角ｙを増大させる方向にステアリング２２を切り始めた場合は、図１２に示すように、（１２）式または（１３）式に示す関係に従って操舵角ｙの増大とともに操舵トルクｘが増大する。車速Ｖが一定の状態では、ｘ＜Ｘ₀の場合にｙがｘに比例し、ｘ≧Ｘ₀の場合にｌｏｇ(ｄｘ／ｄｙ)とｌｏｇ(ｘ)が線形関係になるように、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係が制御される。さらに、図１２に示すように、車速Ｖが高くなるほど係数Ｅの値が増大し、同じ操舵トルクｘに対して操舵角ｙが減少する。

また、操舵角ｙ＝ｙ₁且つ操舵トルクｘ＝ｘ₁のときにステアリング２２の回転方向が操舵角ｙの減少方向から増大方向に切り替わった場合は、図９の特性線Ｂの場合と同様に、基準操舵角ｙ₀＝ｙ₁且つ基準操舵トルクｘ₀＝ｘ₁としたときの（１２）式または（１３）式に示す関係に従って操舵角ｙの増大とともに操舵トルクｘが増大する。車速Ｖが一定の状態では、Ｘ＜Ｘ₀の場合にＹがＸに比例し、Ｘ≧Ｘ₀の場合にｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)とｌｏｇ(Ｘ)が線形関係になるように、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係が制御される。そして、操舵角ｙ＝ｙ₂且つ操舵トルクｘ＝ｘ₂のときにステアリング２２の回転方向が操舵角ｙの増大方向から減少方向に切り替わった場合は、図９の特性線Ｄの場合と同様に、基準操舵角ｙ₀＝ｙ₂且つ基準操舵トルクｘ₀＝ｘ₂としたときの（１２）式または（１３）式に示す関係に従って操舵角ｙの減少とともに操舵トルクｘが減少する。

また、図１１のフローチャートの処理においては、操舵トルク変化量Ｘ［Ｎｍ］が所定量Ｘ₀以上且つ所定量Ｘ₁以下であるときに、（１３）式が成立する（ｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)とｌｏｇ(Ｘ)が線形関係になる）ように操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御することも可能である。ここでの所定量Ｘ₁としては、例えば２．５〜３．０［Ｎｍ］程度の値を設定することが可能である。その場合において、操舵トルク変化量Ｘが所定量Ｘ₁よりも大きいときの操舵角変化量Ｙと操舵トルク変化量Ｘとの関係については、例えば一次関数や二次関数等、任意に設定することが可能である。

以上説明した実施形態によれば、ｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)とｌｏｇ(Ｘ)との線形関係が略成立する（（１３）式が略成立する）ように、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御することで、運転者が操舵時にステアリング２２から受ける抵抗感の変動を抑制して抵抗感をほぼ一定にすることができる。さらに、操舵トルク変化量Ｘが小さい場合は、ＹがＸに比例する関係が略成立する（（１２）式が略成立する）ように、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御することで、運転者が操舵トルク変化を知覚しにくい場合にも、抵抗感をほぼ一定にすることができる。さらに、係数Ｅを車速Ｖに応じて変化させ、車速Ｖの増大に対して係数Ｅを増大させることで、ＹとＸとの比例関係（Ｘ＜Ｘ₀の場合）及びｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)とｌｏｇ(Ｘ)との線形関係（Ｘ≧Ｘ₀の場合）を維持しながら、低車速領域では小さい操舵トルクｘで操舵角ｙを変化させることができ、高車速領域では操舵角ｙを変化させるのに必要な操舵トルクｘを大きくすることができる。したがって、運転者が操舵時にステアリング２２から受ける抵抗感をほぼ一定に保ちながら、車速Ｖに応じた車両の取り回し性及び走行安定性の向上を図ることができる。

本願発明者は、図３に示すドライビングシミュレータを用いて、（１２）、（１３）式が成立するように操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御した場合の抵抗感を運転者（被験者）に評価させる確認実験を行った。この確認実験の際には、（１２）、（１３）式におけるｗ，Ｘ₀の値を変化させながら操舵時の抵抗感を運転者に評価させた。この確認実験により、特にｗが１〜２の範囲でＸ₀が約１である場合に、操舵時の抵抗感の変動が極めて少なくほぼ一定となる評価結果が得られた。

本実施形態に係る操舵装置２０の他の構成例を図１３に示す。図１３の操舵装置２０は、本発明をステアバイワイヤシステムに適用した場合を示し、図１に示す構成例と同様にステアリング２２とステアリングシャフト２４とラックアンドピニオン機構２８と操舵角センサ２３と操舵トルクセンサ２５と電子制御ユニット５０とを備え、さらに、運転者によるステアリング２２の操作に応じてステアリング２２にトルクを作用させることで操舵トルクを模擬する反力モータ４２と、ステアリング２２の操舵角に応じて操舵輪３０，３２の切り角を変更するための出力トルクを減速機３４を介してラックアンドピニオン機構２８に伝達して操舵輪３０，３２へ出力する転舵モータ４０と、を備える。図１３に示す構成例においても、電子制御ユニット５０の操舵制御ブロック６０は、ｄ²Ｙ／ｄＸ²が操舵トルク変化量Ｘに比例する関係が略成立する、またはｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)とｌｏｇ(Ｘ)との線形関係が略成立するように、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御することで、運転者が操舵時にステアリング２２から受ける抵抗感の変動を抑制して抵抗感をほぼ一定にすることができる。

以上の実施形態に係る操舵装置２０では、電動パワーステアリング装置用モータや反力モータのトルクによりステアリング２２にトルクを作用させるものとしたが、電動パワーステアリング装置用モータや反力モータ以外にも、例えば可変操舵ギア比システム用アクチュエータ等、他のアクチュエータを用いてステアリング２２にトルクを作用させることもできる。

以上の実施形態の説明では、本発明を車載用の操舵装置２０に適用した場合について説明した。ただし、本発明をドライビングシミュレータ等において用いられる操舵模擬装置に適用することも可能である。その場合は、以上の実施形態で説明したステアリング２２とステアリングシャフト２４と操舵角センサ２３と操舵トルクセンサ２５と反力モータ４２と電子制御ユニット５０（操舵制御ブロック６０）とを含んで実施形態に係る操舵模擬装置を構成することができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る操舵装置２０の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る操舵装置２０の電子制御ユニット５０が操舵トルク指令値ｘｔを演算する操舵制御ブロック６０として動作するときの制御ブロックを例示する説明図である。 抵抗感をほぼ一定にする操舵トルクｘと操舵系の剛性ｄｘ／ｄｙとの関係を調べる実験に用いたドライビングシミュレータの概略構成を示す図である。 抵抗感をほぼ一定にする操舵トルクｘと操舵系の剛性ｄｘ／ｄｙとの関係を調べる実験に用いた、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を示す図である。 抵抗感をほぼ一定にする操舵トルクｘと操舵系の剛性ｄｘ／ｄｙとの関係を調べる実験に用いた、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を示す図である。 抵抗感が同じとなる操舵トルクｘ及び操舵系の剛性ｄｘ／ｄｙの組を調べた実験結果を、操舵トルクの２乗ｘ²と操舵系の剛性の逆数ｄｙ／ｄｘとの関係で整理して示す図である。 電子制御ユニット５０により実行される、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御する処理を説明するフローチャートである。 本発明の実施形態に係る操舵装置２０における操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を説明する図である。 本発明の実施形態に係る操舵装置２０における操舵角の２階微分ｄ²ｙ／ｄｘ²と操舵トルクｘとの関係を説明する図である。 本発明の実施形態に係る操舵装置２０における操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を説明する図である。 抵抗感が同じとなる操舵トルクｘ及び操舵系の剛性ｄｘ／ｄｙの組を調べた実験結果を、操舵トルクの対数ｌｏｇ(ｘ)と操舵系の剛性の対数ｌｏｇ(ｄｘ／ｄｙ)との関係で整理して示す図である。 電子制御ユニット５０により実行される、操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を制御する他の処理を説明するフローチャートである。 本発明の実施形態に係る操舵装置２０における操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係を説明する図である。 本発明の実施形態に係る操舵装置２０の他の概略構成を示す図である。

符号の説明

２０ 操舵装置、２２ ステアリング、２３ 操舵角センサ、２４ ステアリングシャフト、２５ 操舵トルクセンサ、２８ ラックアンドピニオン機構、３０，３２ 操舵輪、３４ 減速機、４０ 転舵モータ、４２ 電動パワーステアリング装置用モータ、５０ 電子制御ユニット、５２ ＣＰＵ、５４ ＲＯＭ、５６ ＲＡＭ、５８ 車速センサ、６０ 操舵制御ブロック、６２ ステアリング回転方向判定部、６６ 操舵トルク指令値演算部。

Claims (9)

1. ステアリングの操作に応じて操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵装置であって、
   ステアリングの切り始めまたはステアリングの回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとに関して、ｄ²Ｙ／ｄＸ²がＸに比例する関係が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵制御手段を備える、操舵装置。
2. 請求項１に記載の操舵装置であって、
   操舵制御手段は、ｄ²Ｙ／ｄＸ²とＸとの間の比例係数を車速に応じて変化させる、操舵装置。
3. ステアリングの操作に応じて操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵装置であって、
   ステアリングの切り始めまたはステアリングの回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとに関して、ｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)とｌｏｇ(Ｘ)との線形関係が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵制御手段を備える、操舵装置。
4. 請求項３に記載の操舵装置であって、
   操舵制御手段は、Ｘが所定量以上である場合にｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)とｌｏｇ(Ｘ)との線形関係が略成立し、Ｘが当該所定量より小さい場合にＹがＸに比例する関係が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御する、操舵装置。
5. 請求項３または４に記載の操舵装置であって、
   操舵制御手段は、
   ｗ、Ｅを係数とすると、
   ｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)＝−ｗ×ｌｏｇ(Ｘ)＋Ｅ
   が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御し、
   さらに、係数Ｅを車速に応じて変化させる、操舵装置。
6. ステアリングの操作に応じて操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵模擬装置であって、
   ステアリングの切り始めまたはステアリングの回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとに関して、ｄ²Ｙ／ｄＸ²がＸに比例する関係が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵制御手段を備える、操舵模擬装置。
7. ステアリングの操作に応じて操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵模擬装置であって、
   ステアリングの切り始めまたはステアリングの回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとに関して、ｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)とｌｏｇ(Ｘ)との線形関係が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵制御手段を備える、操舵模擬装置。
8. ステアリングの操作に応じて操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵制御方法であって、
   ステアリングの切り始めまたはステアリングの回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとに関して、ｄ²Ｙ／ｄＸ²がＸに比例する関係が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御する、操舵制御方法。
9. ステアリングの操作に応じて操舵角と操舵トルクとの関係を制御する操舵制御方法であって、
   ステアリングの切り始めまたはステアリングの回転方向が切り替わった時点からの操舵トルク変化量Ｘと操舵角変化量Ｙとに関して、ｌｏｇ(ｄＸ／ｄＹ)とｌｏｇ(Ｘ)との線形関係が略成立するように、操舵角と操舵トルクとの関係を制御する、操舵制御方法。

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