JP2011025880A - 車両の後輪操舵制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 旋回走行時の加減速に起因する旋回特性の変化を適切に抑制することができる車両の後輪操舵制御装置を提供する。
【解決手段】 自動車１００の後輪３ｒｌ，３ｒｒを転舵する後輪操舵アクチュエータ８ｌ，８ｒを備えた車両の後輪操舵制御装置５であって、少なくとも前輪舵角δｆ（目標前輪舵角δｆｔ）、車速Ｖおよび前後加速度Ｇｘを含む車両の運動状態量を検出する運動状態量検出手段（操舵角センサ１２，車速センサ２１，前後加速度センサ２２）と、少なくとも前輪舵角δｆおよび車速Ｖから、車両モデルに基づいて目標旋回挙動を設定し、当該目標旋回挙動に基づいて目標後輪舵角δｒを設定する目標後輪舵角設定部３２とを有し、前記車両モデルは、車両のスタビリティファクタＡに基づいて設定され、スタビリティファクタＡは、車速Ｖおよび前後加速度Ｇｘに基づいて補正されることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車両の後輪操舵制御装置に係り、詳しくは、加減速に起因する旋回特性の変化を抑制する技術に関する。

４輪自動車には、車両の旋回性能および走行安定性の向上などを図る目的で、左右の後輪の舵角を変化させる後輪操舵制御装置を備えたものがある。この種の後輪操舵制御装置では、図６に示すように、前輪舵角に対する後輪舵角の比（舵角比）を、低車速時には逆相（負の値）とし、車速が高くなるにつれて同相（正の値）に変化させ、低車速時における旋回性能を向上させる一方で、高車速時における走行安定性を向上させたものがある（例えば、特許文献１）。

しかしながら、図６に示すような舵角比に基づいて後輪舵角を単純に制御した場合、旋回走行中に加速が行われると、舵角比が逆相から同相へと変化して旋回特性がアンダーステア傾向になり、実際の走行ラインが目標走行ライン（ニュートラルステアである場合の走行ライン）をトレースできなくなる、すなわち車両は曲がり難くなる（図７参照）。逆に、車両の旋回走行中に減速すると、舵角比は同相から逆相へと変化して旋回特性がオーバーステア傾向になる。

この問題を解決すべく、特許文献１に係る発明では、減速旋回状態が検出されたときに、減速量に応じて増大する補正値を舵角比に加算し、舵角比を逆相に変化し難くして旋回特性がオーバーステア傾向になることを抑制している。

特開昭６２−１１３６４９号公報

しかしながら、特許文献１のように、車速に対応して予め設定された舵角比に所定量の舵角比補正値を加算または減算する方法では、車速の変化に伴う後輪舵角の変化を小さくすることができるものの、補正後の舵角比も補正前の舵角比と同様の増加または減少傾向を示すため、車両の旋回特性の変化を適切に抑制できない問題がある。

本発明は以上の問題を鑑みてなされたものであって、加減速に起因する旋回特性の変化を適切に抑制することができる車両の後輪操舵制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、車両（１００）の後輪（３ｒｌ，３ｒｒ）を転舵するアクチュエータ（８ｌ，８ｒ）を備えた車両の後輪操舵制御装置（５）であって、少なくとも前輪舵角、車速および前後加速度を含む車両の運動状態量を検出する運動状態量検出手段（１２，２１，２２）と、少なくとも前記前輪舵角および前記車速から、車両モデルに基づいて目標旋回挙動を設定し、当該目標旋回挙動に基づいて後輪舵角を設定する後輪舵角設定手段（３２）とを有し、前記車両モデルは、車両のスタビリティファクタに基づいて設定され、前記スタビリティファクタは、前記車速および前記前後加速度に基づいて補正されることを特徴とする。

この構成によれば、車両のステア特性を表すスタビリティファクタが、旋回走行時の車速および前後加速度で補正されるため、車速および前後加速度に応じた目標旋回挙動が設定される。そのため、旋回走行時に加速または減速を行っても車両の旋回特性はニュートラルステアに維持される。

実施形態に係る後輪操舵制御装置を備えた４輪自動車の概略構成図 実施形態に係るＥＣＵの要部を示すブロック図 スタビリティファクタ補正係数を設定するためのマップ 実施形態に係る後輪舵角の設定手順を示すフロー図 一定加速した際の車速に対する後輪舵角変化を示すグラフ 従来技術に係る車速に対する舵角比を示すグラフ 従来技術に係る車両が、旋回走行中に加速した際の旋回挙動を示す説明図

以下、本発明を４輪自動車の後輪操舵制御装置に適用した実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明にあたり、４本の車輪やそれらに対して配置された部材、すなわち、タイヤやサスペンション等については、それぞれ数字の符号に前後左右を示す添字を付して、例えば、左前輪３ｆｌ、右前輪３ｆｒ、左後輪３ｒｌ、右後輪３ｒｒと記すとともに、総称する場合には車輪３と記す。

自動車１００は、ステアバイワイヤ方式の４輪操舵自動車であって、車体１は、左右前輪３ｆｌ，３ｆｒの操舵に供される前輪操舵制御装置４と、左右後輪３ｒｌ，３ｒｒの操舵に供される後輪操舵制御装置５ｌ、５ｒとを備えている。車輪３は、ナックル６に回転自在に支持されており、ナックル６はサスペンションアームやスプリング、ダンパ等からなるサスペンション７に支持されている。

自動車１００の運転席側には、その後端にステアリングホイール９が取り付けられたステアリングシャフト１１が設置されている。ステアリングシャフト１１には、ステアリングホイール９の操舵角θを検出する操舵角センサ１２と、運転者に操舵反力を与える反力アクチュエータ１３とが設置されている。

前輪操舵制御装置４は、その両端に前輪側ナックル６ｆｌ，６ｆｒがそれぞれ連結されたステアリングギヤ１５や、ステアリングギヤ１５を駆動する前輪操舵アクチュエータ１６等から構成されている。

後輪操舵制御装置５ｌ、５ｒは、車体１とナックル６ｒｌ，６ｒｒとの間にそれぞれ後輪操舵アクチュエータ８ｌ，８ｒを備えている。後輪操舵アクチュエータ８ｌ，８ｒは、モータによって軸方向に駆動される出力ロッドを備えた直動型の電動アクチュエータである。各出力ロッドの先端はナックル６ｒｌ，６ｒｒにそれぞれ連結されており、後輪操舵アクチュエータ８ｌ、８ｒが伸縮作動することによって後輪３ｒｌ，３ｒｒの舵角（トー角）が変化する。

後輪操舵制御装置５ｌ，５ｒは、左右の後輪操舵アクチュエータ８ｌ，８ｒの一方を伸ばして他方を縮めることによって、左右後輪３ｒｌ，３ｒｒを同方向（同位相）に転舵することができる。

後輪操舵制御装置５を含む各種システムは、自動車１００に設けられたＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０によって制御される。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺回路、入出力インタフェース、各種ドライバ等から構成されており、通信回線を介して後述する各センサや、前輪操舵アクチュエータ１６、後輪操舵アクチュエータ８ｌ，８ｒ、反力アクチュエータ１３等と接続されている。

自動車１００には、車速Ｖを検出する車速センサ２１、前後加速度Ｇｘを検出する前後加速度センサ２２、ヨーレイトγを検出するヨーレイトセンサ２３等が車体１の適所に検出されている。操舵角θ、車速Ｖ、ヨーレイトγ、前輪舵角δｆ、後輪舵角δｒ等を車両の運動状態量といい、操舵角センサ１２、車速センサ２１、前後加速度センサ２２、ヨーレイトセンサ２３等を運動状態量検出手段という。

＜ＥＣＵの構成＞
図２は、第１実施形態に係るＥＣＵ３０の要部を示すブロック図である。ＥＣＵ３０は、目標前輪舵角設定部３１と、目標後輪舵角設定部３２と、前輪制御量設定部３３と、後輪制御量設定部３４とを備えている。目標前輪舵角設定部３１は、操舵角θに基づいて、目標前輪舵角δｆｔを設定する。目標前輪舵角δｆｔの設定には、公知の方法を用いてよく、例えば、操舵角θに比例して目標前輪舵角δｆｔを設定する。前輪制御量設定部３３は、目標前輪舵角δｆｔに基づき、前輪舵角δｆが目標前輪舵角δｆｔと同じ値になるように、前輪操舵アクチュエータ１６の制御量を設定し、当該制御量に基づいて前輪操舵アクチュエータ１６を駆動する。

目標後輪舵角設定部３２は、目標前輪舵角δｆｔ、車速Ｖ、前後加速度Ｇｘとから、車両モデルに基づいて目標後輪舵角δｒｔを設定する。後輪制御量設定部３４は、目標後輪舵角δｒｔに基づいて後輪操舵アクチュエータ８ｌ，８ｒの制御量を設定し、当該制御量に基づいて後輪操舵アクチュエータ８ｌ，８ｒを駆動する。本実施形態では、目標前輪舵角δｆｔを前輪舵角δｆとして用いたが、前輪舵角センサを設けて実測した値を用いてもよいし、あるいは車両の他の運動状態量（例えば、操舵角θ）から推定した値を用いてもよい。

目標後輪舵角設定部３２は、前輪操舵特性モデル演算部３６と、規範操舵特性モデル演算部３７と、補正定常ゲイン設定部３８と、スタビリティファクタ補正係数設定部３９と、減算部４０と、目標後輪舵角演算部４１とを備えており、以下に示す車両モデルに基づいて目標後輪舵角δｒｔを設定する。

前輪舵角δｆ、後輪舵角δｒに対する自動車１００のヨーレイト特性γは、以下の式（１）によって表すことができる。
γ＝（Ｇｆ・δｆ）−（Ｇｒ・δｒ） …（１）
ここで、Ｇｆは前輪操舵伝達関数であり、Ｇｒは後輪操舵伝達関数である。

前輪舵角δｆに対する理想的なヨーレイトを規範ヨーレイトγｉとすると、規範ヨーレイトγｉは規範ヨーレイト伝達関数Ｇｉを用いて
γｉ＝Ｇｉ・δｆ …（２）
と表すことができる。そのため、規範ヨーレイトγｉが実現されるときの後輪舵角、すなわち目標後輪舵角δｒｔは、上記の式（１）、（２）を用いて
δｒｔ＝Ｇｒ^−１・（Ｇｆ−Ｇｉ）・δｆ …（３）
と表すことができる。

前輪操舵伝達関数Ｇｆ、後輪操舵伝達関数Ｇｒ、規範ヨーレイト伝達関数Ｇｉは、以下のように表される。
Ｇｆ＝Ｋ（ａｆ・ｓ＋１）／（ｂ１・ｓ^２＋ｂ２・ｓ＋１） …（４）
Ｇｒ＝Ｋ（ａｒ・ｓ＋１）／（ｂ１・ｓ^２＋ｂ２・ｓ＋１） …（５）
Ｇｉ＝Ｋｉ（ｃ１・ｓ＋１）／（ｄ２・ｓ^２＋ｄ１・ｓ＋１） …（６）
ここで、ｓはラプラス演算子であり、ｃ１、ｄ１、ｄ２は任意に設定される係数である。Ｋ、Ｋｉ、ａｆ、ｂ１、ｂ２、ａｒは以下のように表される。
Ｋ＝（Ｖ／Ｌ）｛１／（１＋Ａ・Ｖ^２）｝ …（７）
Ｋｉ＝（Ｖ／Ｌ）｛１／（１＋ｋａ・Ａ・Ｖ^２）｝ …（８）
ａｆ＝（Ｖ／Ｌ）（ｍ・Ｌｆ／Ｋｒ） …（９）
ａｒ＝（Ｖ／Ｌ）（ｍ・Ｌｒ／Ｋｆ） …（１０）
ｂ１ ＝Ｋ（ｍ・Ｖ・Ｉ）／（Ｋｆ・Ｋｒ・Ｌ） …（１１）
ｂ２ ＝Ｋ｛ｍ（Ｌｆ・Ｋｆ^２＋Ｌｒ・Ｋｒ^２）＋Ｉ（Ｋｆ＋Ｋｒ）｝／（Ｋｆ・Ｋｒ・Ｌ） …（１２）
ここで、各記号は以下の内容を表す。
ｍ：車両質量
Ｌ：ホイールベース
Ｌｆ：重心−前輪車軸間距離
Ｌｒ：重心−後輪車軸間距離
Ｋｆ：前輪コーナリングパワー
Ｋｒ：後輪コーナリングパワー
Ｖ：車速
Ａ：定常状態でのスタビリティファクタ
ｋａ：スタビリティファクタ補正係数
Ｉ：車両ヨー慣性回転質量
スタビリティファクタＡは、以下の式で表される。
Ａ＝−（ｍ／Ｌ^２）｛（Ｌｆ・Ｋｆ−Ｌｒ・Ｋｒ）／（Ｋｆ・Ｋｒ）｝ …（１３）
車両質量ｍ、ホイールベースＬ、重心−前輪車軸間距離Ｌｆ、重心−後輪車軸間距離Ｌｒ、前輪コーナリングパワーＫｆ、後輪コーナリングパワーＫｒ、スタビリティファクタＡ、車両ヨー慣性回転質量Ｉは、自動車のスペックに応じて設定される値である。

スタビリティファクタ補正係数設定部３９は、車速Ｖと前後加速度Ｇｘとに基づいて図３に示すマップを参照し、スタビリティファクタ補正係数ｋａを設定する。このマップは、車速Ｖや前後加速度Ｇｘが増加するにつれて、スタビリティファクタ補正係数ｋａが減少するように設定されている。図３に示すように、スタビリティファクタ補正係数ｋａは車速Ｖに応じて変化し、車速Ｖが０〜約５０ｋｍ／ｈの範囲では一定であり、車速Ｖが約５０〜約１００ｋｍ／ｈの範囲では車速Ｖの増加に応じて減少し、車速Ｖが約１００ｋｍ／ｈの範囲では下げ止まって再び一定となるように設定してもよい。また、車速Ｖが増大または低下する際の前後加速度Ｇｘの変化が大きいほどスタビリティファクタ補正係数ｋａは大きく変化する。このマップから設定されるスタビリティファクタ補正係数ｋａによって、車速Ｖや前後加速度Ｇｘが増加するほど、スタビリティファクタＡが減少するように補正される。

補正定常ゲイン設定部３８は、車速Ｖとスタビリティファクタ補正係数ｋａとに基づいて、上記の式（８）から補正定常ゲインＫｉを設定する。

規範操舵特性モデル演算部３７は、車速Ｖと補正定常ゲインＫｉとに基づいて、上記の式（６）から規範ヨーレイト伝達関数Ｇｉを算出し、算出した規範ヨーレイト伝達関数Ｇｉに目標前輪舵角δｆｔを乗算する。

前輪操舵特性モデル演算部３６は、車速Ｖに基づいて、上記の式（４）、（７）、（９）、（１１）、（１２）から前輪操舵伝達関数Ｇｆを算出し、算出した前輪操舵伝達関数Ｇｆに目標前輪舵角δｆｔを乗算する。

減算部４０は、前輪操舵特性モデル演算部３６によって算出されたＧｆ・δｆｔから規範操舵特性モデル演算部３７によって算出されたＧｉ・δｆｔを減算し、結果の（Ｇｆ−Ｇｉ）・δｆｔを目標後輪舵角演算部４１に出力する。

目標後輪舵角演算部４１は、車速Ｖに基づいて、上記の式（５）、（７）、（９）、（１１）、（１２）から後輪操舵伝達関数Ｇｒを算出し、算出した後輪操舵伝達関数Ｇｒと減算部４０によって算出された（Ｇｆ−Ｇｉ）・δｆｔとに基づいて上記の式（３）から目標後輪舵角δｒｔを算出する。

＜実施形態の作用＞
次に、図４のフロー図を参照して、実施形態に係る目標後輪舵角の設定手順について説明する。自動車１００が運転を開始すると、ＥＣＵ３０は、所定の制御インターバル（例えば、２ｍｓ）をもって、図４に示す手順で目標後輪舵角δｒｔを設定する。

最初に、ＥＣＵ３０は、スタビリティファクタ補正係数設定部３９において、車速Ｖおよび前後加速度Ｇｘに基づき、図３のマップを参照してスタビリティファクタ補正係数ｋａを設定する（ＳＴ１）。次に、ＥＣＵ３０は、補正定常ゲイン設定部３８において、スタビリティファクタ補正係数ｋａおよび車速Ｖに基づき、補正定常ゲインＫｉを設定する（ＳＴ２）。次に、ＥＣＵ３０は、規範操舵特性モデル演算部３７において、補正定常ゲインＫｉおよび車速Ｖに基づき、規範ヨーレイト伝達関数Ｇｉを算出する（ＳＴ３）。

次に、ＥＣＵ３０は、前輪操舵特性モデル演算部３６において、車速Ｖに基づいて前輪操舵伝達関数Ｇｆを算出し、目標後輪舵角演算部４１において、車速Ｖに基づいて後輪操舵伝達関数Ｇｒを算出する（ＳＴ４）。

次に、ＥＣＵ３０は、前輪操舵特性モデル演算部３６において、前輪操舵伝達関数Ｇｆと目標前輪舵角δｆｔとを乗算し、規範操舵特性モデル演算部３７において、規範ヨーレイト伝達関数Ｇｉと目標前輪舵角δｆｔとを乗算し、減算部４０において、前輪操舵伝達関数Ｇｆと目標前輪舵角δｆｔとの積から規範ヨーレイト伝達関数Ｇｉと目標前輪舵角δｆｔとの積を減算し、目標後輪舵角演算部４１において、後輪操舵伝達関数Ｇｒと減算部４０における減算結果とに基づいて目標後輪舵角δｒｔを設定する（ＳＴ５）。

＜実施形態の効果＞
規範ヨーレイト伝達関数Ｇｉを算出する際に使用される補正定常ゲインＫｉのスタビリティファクタＡを車速Ｖおよび前後加速度Ｇｘを用いて補正することによって、車速Ｖおよび前後加速度Ｇｘに応じた規範ヨーレイト伝達関数Ｇｉを設定することができる。これによって、旋回走行時に加速または減速する場合においても、各瞬間の車速Ｖおよび前後加速度Ｇｘに応じた規範ヨーレイトが算出され、この規範ヨーレイトに基づいて目標後輪舵角δｒｔが設定されるため、車両がアンダーステアまたはオーバーステアになることを抑制することができる。

図５は、前輪舵角を一定にして旋回走行する時に、車速を４０ｋｍ／ｈから１２０ｋｍ／ｈに一定の加速度で加速した際の後輪舵角変化を示すグラフである。図中の曲線２００は本実施形態における後輪舵角の変化を示し、曲線２０１は比較対象として図６に示す舵角比マップを用いて制御した場合の後輪舵角の変化を示している。比較対象では、舵角比が車速の増加に応じて負の値（逆相）から正の値（同相）へと変化するため、車速の増加に伴って後輪舵角は逆相から同相へと変化する（曲線２０１）。これに対して、本実施形態では、車速の増加に伴う舵角比の増加が抑制され、車速が増加しても後輪舵角は逆相に維持される。

以上のように、本実施形態に係るＥＣＵ３０は、車速Ｖや前後加速度Ｇｘが増加するほど、スタビリティファクタＡの値が低下するように補正し、この補正されたスタビリティファクタＡに基づいて目標後輪舵角δｒｔを設定する。ここで、スタビリティファクタＡの値の低下は、車の旋回特性がアンダーステア傾向になったことを意味する。ＥＣＵ３０は、車速Ｖや前後加速度Ｇｘが増加するほど、車両のアンダーステア傾向が強くなったとして、このようなアンダーステア傾向の車両でもニュートラルラインをトレースできるように目標後輪舵角δｒｔを設定する。そのため、車両はニュートラルラインをトレースして走行することができる。一方、車速Ｖや前後加速度Ｇｘが低下した際には、スタビリティファクタＡの値が増加し、車両のオーバーステア傾向が強くなったとして、このようなオーバーステア傾向の車両でもニュートラルラインをトレースできるように目標後輪舵角δｒｔを設定する。

３…車輪、４…前輪操舵制御装置、５…後輪操舵制御装置、８ｌ，８ｒ…後輪操舵アクチュエータ、１２…操舵角センサ、２１…車速センサ、２２…前後加速度センサ、３０…ＥＣＵ、３１…目標前輪舵角設定部、３２…目標後輪舵角設定部、３３…前輪制御量設定部、３４…後輪制御量設定部、３６…前輪操舵特性モデル演算部、３７…規範操舵特性モデル演算部、３８…補正定常ゲイン設定部、３９…スタビリティファクタ補正係数設定部、４０…減算部、４１…目標後輪舵角演算部、１００…自動車

Claims (1)

1. 車両の後輪を転舵するアクチュエータを備えた車両の後輪操舵制御装置であって、
   少なくとも前輪舵角、車速および前後加速度を含む車両の運動状態量を検出する運動状態量検出手段と、
   少なくとも前記前輪舵角および前記車速から、車両モデルに基づいて目標旋回挙動を設定し、当該目標旋回挙動に基づいて後輪舵角を設定する後輪舵角設定手段と
   を有し、
   前記車両モデルは、車両のスタビリティファクタに基づいて設定され、
   前記スタビリティファクタは、前記車速および前記前後加速度に基づいて補正されることを特徴とする車両の後輪操舵制御装置。

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