JP2017116274A - 車両の操舵角加速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操舵角を２回微分する必要の無い操舵角角速度検出装置を提供する。【解決手段】回転軸線２８と直交する仮想の直線３４上にてステアリングホイール１２に設けられ、回転軸線に垂直な仮想の平面内にて仮想の直線３４に垂直な方向の加速度を検出する一対の加速度センサ１４Ｌ及び１４Ｒに基づいて、ステアリングホイール１２の回転角加速度が操舵角加速度として演算される。また、車両の運動状態量として、ヨーレート及びロールレートの少なくとも一方を検出する運動状態量検出センサ１８、２０とを有し、検出された一対の加速度から、運動状態量に起因する加速度の誤差成分が減算されることにより、一対の補正後の加速度が演算され、一対の補正後の加速度に基づいてステアリングホイール１２の回転角加速度が操舵角加速度として演算される。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車などの車両の操舵角加速度検出装置に係る。

自動車などの車両において、操舵角センサ以外のセンサの検出値を使用して操舵操作量を検出する装置が既に知られている。例えば、下記の特許文献１には、ステアリングホイールに取り付けられた第一の加速度センサと、車体に取り付けられた第二の加速度センサとを有し、第一及び第二の加速度センサにより検出された加速度に基づいて操舵角を演算する演算装置とを有する操舵角演算装置が記載されている。

第一の加速度センサは、ステアリングホイールの回転軸線の方向及びこれに直交する方向の加速度を検出し、第二の加速度センサは、第一の加速度センサと同一の少なくとも二つ方向の加速度を検出する。第一及び第二の加速度センサにより検出される二つの加速度の間には、ステアリングホイールの回転角度、即ち操舵角により決定される相互関係があるので、演算装置はこの相互関係を利用して操舵角を演算する。

特許文献１に記載された操舵角演算装置によれば、操舵角センサを要することなく、操舵操作量としての操舵角を検出することができる。また、車両に作用する重力加速度及び車両の走行運動により生じる加速度は、第一及び第二の加速度センサの両者により検出され、上記相互関係には影響しないので、重力加速度などの影響を受けることなく操舵角を検出することができる。

特開２０１４−７０９３９号公報

〔発明が解決しようとする課題〕
ステアリングホイールの操作状態を正確に判定するためには、操舵操作量として操舵角加速度及び操舵角加速度を求める必要があることが解っている。しかるに、上記特許文献１に記載された操舵角演算装置は、操舵角センサと同様に、操舵角しか検出できないため、操舵角加速度及び操舵角加速度を求めるためには、操舵角をそれぞれ微分及び２回微分しなければならない。特に、操舵角加速度は操舵角が２回微分されることにより演算されるので、検出された操舵角に含まれる誤差が２回微分により増幅されることが避けられず、正確な操舵角加速度を求めることができない。なお、この問題は、操舵角が操舵角センサにより検出される場合にも同様に生じる。

また、特許文献１に記載された操舵角演算装置においては、第一の加速度センサは、ステアリングホイールの回転軸線の方向及びこれに直交する方向の加速度を検出可能な２軸式の加速度センサでなければならない。また、第二の加速度センサは、第一の加速度センサと同一の二つ方向の加速度を検出可能な高価な２軸式の加速度センサ又は３軸式の加速度センサでなければならない。そのため、操舵角演算装置が高コストになることが避けられない。

本発明の主要な課題は、従来の操舵角センサ又は上記操舵角演算装置により検出される操舵角が２回微分される場合に比して、操舵操作量としての操舵角加速度を正確に検出することができる低廉な装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段及び発明の効果〕
本発明によれば、回転軸線の周りに回転するステアリングホイールを有する車両の操舵角加速度検出装置であって、前記回転軸線と直交する仮想の直線上にて前記回転軸線から等距離隔置されて前記ステアリングホイールに設けられ、前記回転軸線に垂直な仮想の平面内にて前記仮想の直線に垂直な方向の加速度を検出する一対の加速度センサと、前記一対の加速度センサにより検出された一対の加速度及び前記等距離に基づいて前記ステアリングホイールの回転角加速度を演算することにより操舵角加速度を演算する演算装置と、を有する車両の操舵角加速度検出装が提供される。

上記の構成によれば、ステアリングホイールの回転軸線と直交する仮想の直線上にて回転軸線から等距離隔置されてステアリングホイールに設けられた一対の加速度センサにより、回転軸線に垂直な仮想の平面内にて仮想の直線に垂直な方向の加速度が検出される。演算装置により、一対の加速度センサにより検出された一対の加速度及び上記等距離に基づいて前記ステアリングホイールの回転角加速度が演算されることにより操舵角加速度が演算される。

一対の加速度はステアリングホイールの接線方向の加速度であるので、一対の加速度に基づいてステアリングホイールの正確な回転角加速度を演算することができる。よって、検出された値又は演算された値を微分することも２回微分することは不要であるので、微分又は２回微分によって誤差が増幅されることもない。従って、正確な操舵角加速度を演算することができる。

また、上記の構成によれば、一対の加速度センサは回転軸線に垂直な仮想の平面内にて仮想の直線に垂直な方向の加速度を検出することができればよいので、１軸式の加速度センサであればよい。よって、高価な２軸式又は３軸式の加速度センサが必須である上記特許文献１に記載された操舵角演算装置に比して、操舵角加速度検出装置のコストを節減することができる。

〔発明の態様〕
本発明の一つの態様においては、前記一対の加速度センサは、互いに同一の方向の加速度を検出し、前記演算装置は、前記一対の加速度の差を前記等距離にて除算した値に基づいて前記ステアリングホイールの回転角加速度を演算する。

上記態様によれば、一対の加速度センサは、同一の方向の加速度を検出するので、車両のピッチング、横移動、上下運動に起因する加速度は、一対の加速度センサにより検出される一対の加速度に互いに同一誤差成分として含まれる。よって、補正後の一対の加速度の差に基づいてステアリングホイールの回転角加速度を演算する際に、車両のピッチング、横移動、上下運動に起因する加速度の誤差成分を相殺することができる。

本発明の他の一つの態様においては、一対の加速度センサは、互いに逆方向の加速度を検出し、前記演算装置は、前記一及び第二の加速度の和を前記等距離にて除算した値に基づいて前記ステアリングホイールの回転角加速度を演算する。

上記態様によれば、一対の加速度センサは、互いに逆方向の加速度を検出するので、車両のピッチング、横移動、上下運動に起因する加速度は、一対の加速度センサにより検出される一対の加速度に互いに大きさが同一で方向が逆の誤差成分として含まれる。よって、一対の加速度の和に基づいてステアリングホイールの回転角加速度を演算する際に、車両のピッチング、横移動、上下運動に起因する加速度の誤差成分を相殺することができる。

本発明の他の一つの態様においては、操舵角加速度検出装置は、前記ステアリングホイールが搭載された車両の運動状態量として、ヨーレート及びロールレートの少なくとも一方を検出する運動状態量検出センサを有し、演算装置は、前記一対の加速度センサにより検出された一対の加速度から、前記運動状態量に起因する加速度の誤差成分を減算することにより、補正後の一対の加速度を演算し、前記補正後の一対の加速度及び前記等距離に基づいて前記ステアリングホイールの回転角加速度を演算することにより操舵角加速度を演算する。

上記態様によれば、一対の補正後の加速度は、一対の加速度センサにより検出された一対の加速度から、車両の運動状態量に起因する加速度の誤差成分を減算することにより演算される。よって、補正後の一対の加速度は、車両の運動状態量に起因する加速度の誤差成分を含まないので、ステアリングホイールの正確な接線方向の一対の補加速度に基づいてステアリングホイールの正確な回転角加速度を演算することができる。

本発明の他の一つの態様においては、一対の加速度センサは、互いに同一の方向の加速度を検出し、前記演算装置は、前記補正後の一対の加速度の差を前記等距離にて除算した値に基づいて前記ステアリングホイールの回転角加速度を演算する。

上記態様によれば、一対の加速度センサは、同一の方向の加速度を検出するので、車両のピッチング、横移動、上下運動に起因する加速度は、補正後の一対の加速度に互いに同一誤差成分として含まれる。よって、補正後の一対の加速度の差に基づいてステアリングホイールの回転角加速度を演算する際に、車両のピッチング、横移動、上下運動に起因する加速度の誤差成分を相殺することができる。

本発明の他の一つの態様においては、一対の加速度センサは、互いに逆方向の加速度を検出し、前記演算装置は、前記補正後の一対の加速度の和を前記等距離にて除算した値に基づいて前記ステアリングホイールの回転角加速度を演算する。

上記態様によれば、一対の加速度センサは、互いに逆方向の加速度を検出するので、車両のピッチング、横移動、上下運動に起因する加速度は、補正後の一対の加速度に互いに大きさが同一で方向が逆の誤差成分として含まれる。よって、補正後の加速度の和に基づいてステアリングホイールの回転角加速度を演算する際に、車両のピッチング、横移動、上下運動に起因する加速度の誤差成分を相殺することができる。

本発明による車両の操舵角加速度検出装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。 ステアリングホイールを示す側面図である。 車両が重心Ｐgの周りにヨー加速度運動する際における二つの加速度センサの検出点Ｐr及びＰlの運動方向（二点鎖線の矢印）及び加速度検出方向（実線の矢印）などを示す平面図である。 車両の重心Ｐg及びステアリングホイールを示す側面図である。 車両が重心Ｐgの周りにヨー加速度運動する状況における点Ｐrの求心加速度及び種々の点の位置関係を示す平面図である。 操舵角θと角度θyとの関係を示す斜視図である。 車両が重心Ｐgの周りにヨー加速度運動する状況における点Ｐrの接線方向の加速度及び種々の点の位置関係を示す平面図である。 車両が重心Ｐgの周りにロール加速度運動する際における二つの加速度センサの検出点Ｐr及びＰlの運動方向（二点鎖線の矢印）及び加速度検出方向（実線の矢印）などを示す背面図である。 第一の実施形態における操舵角加速度dωの演算ルーチンを示すフローチャートである。 本発明による車両の操舵角加速度検出装置の第二の実施形態を示す概略構成図である。 第二の実施形態における操舵角加速度dωの演算ルーチンを示すフローチャートである。 本発明による車両の操舵角加速度検出装置の第三の実施形態を示す概略構成図である。 本発明による車両の操舵角加速度検出装置の第四の実施形態を示す概略構成図である。 本発明による車両の操舵角加速度検出装置の第三の実施形態を示す概略構成図である。 本発明による車両の操舵角加速度検出装置の第四の実施形態を示す概略構成図である。

以下に添付の図を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

［第一の実施形態］
図１は、本発明の第一の実施形態にかかる車両の操舵角速度検出装置１０を示す概略構成図、図２は、ステアリングホイールを示す側面図である。

操舵角速度検出装置１０は、ステアリングホイール１２の操作状態量として操舵角加速度dωを推定する。図１に示されているように、操舵角速度検出装置１０は、一対の加速度センサ１４Ｌ及び１４Ｒと、操舵角センサ１６と、ヨーレートセンサ１８及びロールレートセンサ２０と、操舵角加速度dωを演算する演算装置としての電子制御装置２２とを有している。操舵角速度検出装置１０は、左側通行の車両２４に搭載されている。なお、操舵角加速度dωは、左旋回方向へ操舵角速度が変化する場合に正の値になる。

ステアリングホイール１２は、運転者の手により把持される円環状又は楕円環状のリム部１２Ａと、中央支持部１２Ｂと、リム部１２Ａと中央支持部１２Ｂとを接続する複数のスポーク部１２Ｃとを有している。中央支持部１２Ｂは、ステアリングシャフト２６の上端に連結され、これによりステアリングホイール１２はステアリングシャフト２６と共に回転軸線２８の周りに回転する。なお、図１において、３０及び３２はそれぞれ図１には示されていないオーディオ機器及びエアコンなどを操作するスイッチであり、これらはステアリングホイール１２に設けられていなくてもよい。

操舵角センサ１６は、ステアリングシャフト２６に設けられており、回転軸線２８の周りのステアリングホイール１２及びステアリングシャフト２６の回転角度を操舵角θとして検出する。操舵角θは、車両２４の直進に対応する回転角度である場合に０であり、左旋回方向及び右旋回方向の回転角度である場合にそれぞれ正の値及び負の値になる。

加速度センサ１４Ｌ及び１４Ｒは、回転軸線２８と直交する仮想の直線３４上にてステアリングホイール１２のリム部１２Ａに設けられており、回転軸線２８から等距離Ｒs隔置されている。図１において、回転軸線２８と仮想の直線３４との交点Ｏを中心とし加速度センサ１４Ｌ及び１４Ｒの中心を通る円が符号１４にて示され、仮想の直線３４と円１４との交点がＰl及びＰrにて示されている。仮想の直線３４は、ステアリングホイール１２が中立位置（車両２４が直進する位置）にあるときに車両２４の横方向に延在することが好ましいが、横方向に対し任意の角度にて傾斜していてもよい。

図１及び図２には示されていないが、加速度センサ１４Ｌ及び１４Ｒは、それぞればねにより所定の位置に付勢された慣性錘を含み、加速度に比例する慣性力によって慣性錘がばねのばね力に抗して変位することを利用して加速度を検出する。第一の実施形態においては、加速度センサ１４Ｌ及び１４Ｒは、交点Ｏを通り回転軸線２８に垂直な仮想の平面３６内にて仮想の直線３４に垂直で互いに同一の方向の加速度Ｇsl及びＧsrを検出する。なお、加速度センサ１４Ｌ及び１４Ｒが図１に示された位置にある場合について見て、加速度Ｇsl及びＧsrは車両の前方及び上方が正である。

ヨーレートセンサ１８及びロールレートセンサ２０は、運動状態量検出センサとして機能し、それぞれ車両２４のヨーレートＹＲ及びロールレートＲＲを検出する。なお、ヨーレートＹＲは、車両２４のヨー角の変化が０であり車両が直進状態にあるときに０になり、車両２４のヨー角が左旋回方向及び右旋回方向へ変化する場合にそれぞれ正の値及び負の値になる。ロールレートＲＲは、車両２４のロール角の変化が０であるときに０になり、車両の前進方向に見て車両２４のロール角が車両２４の重心Ｐgの周りに時計回り方向及び反時計回り方向へ変化する場合にそれぞれ正の値及び負の値になる。

図２に示されているように、仮想の平面３６は、該平面と回転軸線２８との交点Ｏを通る仮想の水平面３８に対し角度α傾斜しており、交点Ｏを通る車両横方向の仮想の鉛直面４０に対し角度β傾斜している。ヨーレートＹＲは、車両２４の重心Ｐgを通り仮想の水平面３８に平行な平面に沿う車両のヨーレートであり、ロールレートＲＲは、車両２４の重心Ｐgを通り仮想の鉛直面４０に平行な平面に沿う車両のロールレートである。

重心Ｐgは、車両２４の車幅の中央に位置し、ステアリングホイール１２は重心Ｐgに対し右側にて、重心Ｐgに対し前方且つ上方に位置している。しかし、ステアリングホイール１２は重心Ｐgと同一の車両前後方向位置又は重心Ｐgに対し後方に位置していてもよい。

＜電子制御装置２２による操舵角加速度dωの演算の概要＞
電子制御装置２２は、後に図９に示されたフローチャートを参照して詳細に説明するように、操舵角θ、加速度Ｇsl及びＧsr、ヨーレートＹＲ及びロールレートＲＲに基づいて、以下の手順にてステアリングホイール１２の回転加速度として操舵角加速度dωを演算する。

まず、電子制御装置２２は、車両２４が重心Ｐgの周りにヨー加速度運動することにより、ステアリングホイール１２が重心Ｐgの周りにヨー加速度運動する際に点Ｐr及びＰlに生じる加速度に起因する誤差成分を演算する。ステアリングホイール１２は車両２４の一部であるので、車両２４が重心Ｐgの周りにヨー加速度運動するときには、点Ｐr及びＰlは重心Ｐgを通る鉛直軸（図示せず）の周りに回転加速度運動する。よって、点Ｐr及びＰlには重心Ｐgに向かう求心加速度が発生し、それらの求心加速度はそれぞれ重心Ｐgから点Ｐr及びＰlまでの距離に比例する。

ステアリングホイール１２の交点Ｏは重心Ｐgから離れているので、重心Ｐgに向かう求心加速度をそれぞれ交点Ｏに向かう求心加速度と点Ｐr及びＰlにおける円１４の接線方向の加速度とに分解することができる。よって、加速度センサ１４Ｌ及び１４Ｒにより検出される加速度Ｇsl及びＧsrに含まれる車両２４のヨー加速度運動に起因する誤差成分は、交点Ｏに向かう求心加速度に起因する誤差成分Ｇycr及びＧycl、及び点Ｐr及びＰlにおける円１４の接線方向の加速度に起因する誤差成分Ｇytr及びＧytlである。

同様に、電子制御装置２２は、車両２４のロール加速度運動に起因して点Ｐr及びＰlに発生する交点Ｏに向かう求心加速度に起因する誤差成分Ｇrcr及びＧrcl、及び点Ｐr及びＰlにおける円１４の接線方向の加速度に起因する誤差成分Ｇrtr及びＧrtlを演算する。以下に、車両２４がヨー加速度運動及びロール加速度運動を行う際の交点Ｏに向かう求心加速度に起因する誤差成分及び点Ｐr及びＰlにおける円１４の接線方向の加速度に起因する誤差成分について詳細に説明するが、図の煩雑化を避けるため、これらの誤差成分は図には示されていない。

電子制御装置２２は、下記の式（１）に従って、加速度センサ１４Ｒにより検出された加速度Ｇsrから、求心加速度に起因する誤差成分Ｇycr、Ｇrcr及び接線方向の加速度に起因する誤差成分Ｇytr、Ｇrtrを減算することにより、補正後の加速度Ｇsraを演算する。同様に、電子制御装置２２は、下記の式（２）に従って、加速度センサ１４Ｌにより検出された加速度Ｇslから、求心加速度に起因する誤差成分Ｇycl、Ｇrcl及び接線方向の加速度に起因する誤差成分Ｇytl、Ｇrtlを減算することにより、補正後の加速度Ｇslaを演算する。
Ｇsra＝Ｇsr−Ｇycr−Ｇrcr−Ｇytr−Ｇrtr …（１）
Ｇsla＝Ｇsl−Ｇycl−Ｇrcl−Ｇytl−Ｇrtl …（２）

更に、電子制御装置２２は、補正後の加速度Ｇsra及びＧsla及び距離Ｒsに基づいて、下記の式（３）に従ってステアリングホイール１２の回転角加速度を演算することにより操舵角加速度dωを演算する。距離Ｒsは既知の一定の値である。
dω＝（Ｇsra−Ｇsla）／（２Ｒs） …（３）

なお、図１には詳細に示されていないが、電子制御装置２２は、マイクロコンピュータを含んでいる。マイクロコンピュータは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力ポート装置を有し、これらが双方向性のコモンバスにより互いに接続された一般的な構成を有している。

＜ヨー加速度運動＞
＜線分ＰrＰg及びＰlＰgの長さＬyrg及びＬylgの演算＞
図３は、車両２４が重心Ｐgの周りにヨー加速度運動する際における二つの加速度センサの検出点Ｐr及びＰlの運動方向（二点鎖線の矢印）及び加速度検出方向（実線の矢印）などを示す平面図である。図３において、４２は重心Ｐgを通る車両前後方向の直線、即ち車両２４の前後方向の中心線を示し、４４は交点Ｏを通り直線４２と平行な直線を示している。交点Ｏ、点Ｐr及びＰlから直線４２に下した垂線の足をそれぞれ点Ｐo、Ｐyr及びＰylとする。図３で見て、線分ＯＰgの長さをＬygとし、線分ＯＰoの長さをＬyoとし、線分ＰoＰgの長さをＬygとする。これらの長さは既知の一定の値である。なお、図３においては、操舵角θがθyにて示されている。

線分ＰrＰyrと直線４４との交点をＰorとすると、図３で見て、交点Ｐorと点Ｐrとの間の距離はＲs＊cosθy＝Ｒs＊cosθであるので、交点Ｐorと点Ｐrとの間の車両横方向の距離は、Ｒs＊cosθである。よって、線分ＰrＰyrの長さは、Ｌyo＋Ｒs＊cosθである。図４で見て、交点Ｏと交点Ｐorとの間の車両前後方向の距離、即ち点Ｐyrと交点Ｐoとの間の車両前後方向の距離は、Ｒs＊sinθ＊cosαである。従って、線分ＰyrＰgの長さは、Ｌyg＋Ｒs＊sinθ＊cosαであるので、線分ＰrＰgの長さＬyrgは、下記の式（４）により表される。なお、図４において、符号４６は重心Ｐgを通る仮想の水平面（ヨー運動平面）を示している。
Ｌyrg＝｛（Ｌyo＋Ｒs＊cosθ）^２＋（Ｌyg＋Ｒs＊sinθ＊cosα）^２｝^１／２ …（４）

図３に示されているように、点Ｐlは交点Ｏに対し重心Ｐgの側で車両後方に位置している。よって、線分ＰlＰgの長さＬylgは、下記の式（５）により表される。
Ｌylg＝｛（Ｌyo−Ｒs＊cosθ）^２＋（Ｌyg−Ｒs＊sinθ＊cosα）^２｝^１／２ …（５）

なお、線分ＰrＰgの長さＬyrg及び線分ＰlＰgの長さＬylgは、それぞれ車両２４が重心Ｐgの周りにヨー加速度運動する際における点Ｐr及びＰlの円運動を平面図で見た場合の回転半径である。

＜求心加速度に起因する誤差成分Ｇycr及びＧyclの演算＞
図５に示されているように、点Ｐrが重心Ｐgの周りにヨー加速度運動する際の点Ｐrの求心加速度Ｇycrhは下記の式（６）により表される。
Ｇycrh＝Ｌyrg＊ＹＲ^２ …（６）

図５に示されているように、線分ＰrＰgが車両の横方向に対しなす角度をφrとすると、線分ＰrＰgが線分ＰrＰyrに対しなす角度もφrである。よって、線分ＰrＰyrが線分ＯＰrに対しなす角度はφr−θyである。点Ｐrにおける円１４の接線を４８とすると、求心加速度Ｇycrhの接線４８の方向の成分Ｇycr′は、下記の式（７）により表される。よって、求心加速度に起因する誤差成分Ｇycrは、下記の式（８）により表される。
Ｇycr′＝Ｇycrh＊sin（φr−θy）
＝Ｌyrg＊ＹＲ^２＊sin（φr−θy） …（７）
Ｇycr＝｛Ｌyrg＊ＹＲ^２＊sin（φr−θy）｝＊cosα …（８）

図６は、操舵角θと角度θyとの関係を示す斜視図である。図５で見て、点Ｐrを通り線４４に平行な直線４５と線分ＯＰoの延長線５０との交点をＯyとする。交点Ｏyを通る車両前後方向の水平線を５２とし、点Ｐrから水平線５２に下した垂線の足をＰr′とする。線分ＰrＯyの長さはＲs＊sinθであるので、線分ＯyＰr′の長さはＲs＊sinθ＊cosαである。線分ＯＯyの長さはＲs＊cosθである。

三角形ＯＯyＰr′について下記の式（９）が成立するので、角度θyは下記の式（１０）により表される。
tanθy＝線分ＯyＰr′の長さ／線分ＯＯyの長さ
＝Ｒs＊sinθ＊cosα／（Ｒs＊cosθ）
＝cosα＊tanθ …（９）
θy＝arctan(cosα＊tanθ) …（１０）

また、図５において、重心Ｐgを通り直線５０に平行な直線５４と水平線５２との交点をＰgrとする。線分ＰgＰgrの長さは、線分ＯＰoの長さＬyoと線分ＯＯyの長さＲs＊cosθとの和に等しいので、Ｌyo＋Ｒs＊cosθである。線分ＰrＰgrの長さは、線分ＰgrＯyの長さ（＝線分ＰgＰoの長さＬyg）と線分ＯyＰr′の長さＲs＊sinθ＊cosαとの和に等しいので、Ｌyg＋Ｒs＊sinθ＊cosαである。

三角形ＰgＰrＰgrについて下記の式（１１）が成立するので、角度φrは下記の式（１２）により表される。
tanφr＝線分ＰrＰgrの長さ／線分ＰgＰgrの長さ
＝（Ｌyg＋Ｒs＊sinθ＊cosα）／（Ｌyo＋Ｒs＊cosθ） …（１１）
φr＝arctan{（Ｌyg＋Ｒs＊sinθ＊cosα）／（Ｌyo＋Ｒs＊cosθ）} …（１２）

同様に、点Ｐlが重心Ｐgの周りにヨー加速度運動する際の点Ｐlの求心加速度Ｇyclhは、下記の式（１３）により表される。図５には示されていないが、線分ＰrＰgが車両の横方向に対しなす角度をφlとすると、求心加速度に起因する誤差成分Ｇyclは、下記の式（１４）により表され、角度φlは下記の式（１５）により表される。
Ｇyclh＝Ｌylg＊ＹＲ^２ …（１３）
Ｇycl＝｛Ｌylg＊ＹＲ^２＊sin（φl−θy）｝＊cosα …（１４）
φl＝arctan{（Ｌyg−Ｒs＊sinθ＊cosα）／（Ｌyo−Ｒs＊cosθ）} …（１５）

＜接線方向の加速度に起因する誤差成分Ｇytr及びＧytlの演算＞
車両２４のヨー加速度、即ちヨーレートＹＲの時間微分値をdＹＲとすると、点Ｐrが重心Ｐgの周りにヨー加速度運動する際における線分ＰrＰgに垂直な方向の点Ｐrの加速度Ｇyprは、下記の式（１６）により表される。図７に示されているように、接線４８が直線５２に対しなす角度はθyである。
Ｇypr＝Ｌyrg＊dＹＲ^２ …（１６）

図７に示されているように、線分ＰrＰgが線分ＰrＰyrに対しなす角度をφrとする。加速度Ｇyprが接線４８に対しなす角度はφr−θyであるので、加速度Ｇyprの接線方向の成分Ｇyprtは下記の式（１７）により表される。
Ｇyprt＝Ｌyrg＊dＹＲ^２＊cos(φr−θy) …（１７）

図２に示されているように、円１４は仮想の水平面３８に対し角度α傾斜しているので、接線方向の加速度に起因する誤差成分Ｇytrは下記の式（１８）により表される。
Ｇytr＝Ｇyprt＊cosα
＝Ｌyrg＊dＹＲ^２＊cos(φr−θy)＊cosα …（１８）

同様に、点Ｐlが重心Ｐgの周りにヨー加速度運動する際における線分ＰlＰgに垂直な方向の点Ｐlの加速度Ｇyplは、下記の式（１９）により表される。
Ｇypl＝Ｌylg＊dＹＲ^２ …（１９）

図３に示されているように、線分ＰlＰgが線分ＰlＰylに対しなす角度をφlとする。加速度Ｇyplが点Ｐlにおける円１４の接線に対しなす角度はφl−θyであるので、加速度Ｇyplの接線方向の成分Ｇypltは下記の式（２０）により表される。
Ｇyplt＝Ｌylg＊dＹＲ^２＊cos(φl−θy) …（２０）

よって、接線方向の加速度に起因する誤差成分Ｇytlは、下記の式（２１）により表される。なお、角度φlは上記式（１５）により表される値である。
Ｇytl＝Ｇyplt＊cosα
＝Ｌylg＊dＹＲ^２＊cos(φl−θy)＊cosα …（２１）

＜ロール加速度運動＞
図８は、車両が重心Ｐgの周りにロール加速度運動する際における二つの加速度センサの検出点Ｐr及びＰlの運動方向（二点鎖線の矢印）及び加速度検出方向（実線の矢印）などを示す背面図である。図８と図３との比較から解るように、点Ｐr及びＰlが重心Ｐgの周りにヨー加速度運動する際の上述の種々の値の「y」及び「α」をそれぞれ「r」及び「β」に変えて、点Ｐr及びＰlが重心Ｐgの周りにロール加速度運動する際の種々の値を表現することができる。なお、以下の説明においては、角度φr及びφlに対応する角度として、δr及びδlが使用される。

＜線分ＰrＰg及びＰlＰgの長さＬrrg及びＬrlgの演算＞
線分ＰrＰgの長さＬrrgは、上記式（４）に対応する下記の式（２２）により表され、線分ＰlＰgの長さＬrlgは、上記式（５）に対応する下記の式（２３）により表される。
Ｌrrg＝｛（Ｌro＋Ｒs＊cosθ）^２＋（Ｌrg＋Ｒs＊sinθ＊cosβ）^２｝^１／２ …（２２）
Ｌrlg＝｛（Ｌro−Ｒs＊cosθ）^２＋（Ｌrg−Ｒs＊sinθ＊cosβ）^２｝^１／２ …（２３）

なお、線分ＰrＰgの長さＬrrg及び線分ＰlＰgの長さＬrlgは、それぞれ車両２４が重心Ｐgの周りにロール加速度運動する際における点Ｐr及びＰlの円運動を背面図で見た場合の回転半径である。

＜求心加速度に起因する誤差成分Ｇrcr及びＧrclの演算＞
点Ｐrが重心Ｐgの周りにロール加速度運動する際における求心加速度に起因する誤差成分Ｇrcrは、上記式（８）に対応する下記の式（２４）により表される。
Ｇrcr＝｛Ｌrrg＊ＲＲ^２＊sin（δr−θr）｝＊cosβ …（２４）

なお、角度θr及びδrは、それぞれ上記式（１０）及び（１２）に対応する下記の式（２５）及び（２６）により表される。
θr＝arctan(cosβ／tanθ) …（２５）
δr＝arctan{（Ｌrg＋Ｒs＊sinθ＊cosβ）／（Ｌro＋Ｒs＊cosθ）} …（２６）

点Ｐlが重心Ｐgの周りにロール加速度運動する際における求心加速度に起因する誤差成分Ｇrclは、上記式（１４）に対応する下記の式（２７）により表される。なお、角度δrは、上記式（１５）に対応する下記の式（２８）により表される。
Ｇrcl＝｛Ｌrlg＊ＲＲ^２＊sin（δl−θr）｝＊cosβ …（２７）
δl＝arctan{（Ｌrg−Ｒs＊sinθ＊cosβ）／（Ｌro−Ｒs＊cosθ）} …（２８）

＜接線方向の加速度に起因する誤差成分Ｇrtr及びＧrtlの演算＞
車両２４のロール加速度、即ちロールレートＲＲの時間微分値をdＲＲとすると、点Ｐrが重心Ｐgの周りにロール加速度運動する際における接線方向の加速度に起因する誤差成分Ｇrtrは、上記式（１８）に対応する下記の式（２９）により表される。
Ｇrtr＝Ｌrrg＊dＲＲ^２＊cos(δr−θr)＊cosβ …（２９）

同様に、点Ｐlが重心Ｐgの周りにロール加速度運動する際における接線方向の加速度に起因する誤差成分Ｇrtlは、上記式（２１）に対応する下記の式（３０）により表される。
Ｇrtl＝Ｌrlg＊dＲＲ^２＊cos(δl−θr)＊cosβ …（３０）

＜操舵角加速度dωの演算ルーチン＞
次に、図９に示されたフローチャートを参照して第一の実施形態における操舵角加速度dωの演算ルーチンについて説明する。図９に示されたフローチャートによる制御は、図1には示されていないイグニッションスイッチがオンであるときに、所定の時間毎に繰返し電子制御装置２２によって実行される。このことは、後述の他の実施形態における制御についても同様である。

まず、ステップ１０においては、加速度センサ１４Ｌ及び１４Ｒにより検出された加速度Ｇsl及びＧsrを示す信号などの読み込みが行われる。

ステップ２０においては、上記式（４）及び（５）に従って、それぞれ線分ＰrＰg及びＰlＰgの長さＬyrg及びＬylgが演算される。

ステップ３０においては、上記式（１０）に従って角度θyが演算され、上記式（１２）及び（１５）に従って、それぞれ角度φr及びφlが演算される。

ステップ４０においては、上記式（８）及び（１４）に従って、それぞれ車両２４のヨー加速度運動により点Ｐr及びＰlに発生する求心加速度に起因する誤差成分Ｇycr及びＧyclが演算される。

ステップ５０においては、上記式（１８）及び（２１）に従って、それぞれ車両２４のヨー加速度運動により点Ｐr及びＰlに発生する接線方向の加速度に起因する誤差成分Ｇytr及びＧytlが演算される。

ステップ２０に対応するステップ１２０においては、上記式（２２）及び（２３）に従って、それぞれ線分ＰrＰg及びＰlＰgの長さＬrrg及びＬrlgが演算される。

ステップ３０に対応するステップ１３０においては、上記式（２５）に従って角度θrが演算され、上記式（２６）及び（２８）に従って、それぞれ角度δr及びδlが演算される。

ステップ４０に対応するステップ１４０においては、上記式（２４）及び（２７）に従って、それぞれ車両２４のロール加速度運動により点Ｐr及びＰlに発生する求心加速度に起因する誤差成分Ｇrcr及びＧrclが演算される。

ステップ５０に対応するステップ１５０においては、上記式（２９）及び（３０）に従って、それぞれ車両２４のロール加速度運動により点Ｐr及びＰlに発生する接線方向の加速度に起因する誤差成分Ｇrtr及びＧrtlが演算される。

ステップ１６０においては、上記式（１）に従って、加速度センサ１４Ｒにより検出された加速度Ｇsrから誤差成分Ｇycr、Ｇrcr、Ｇytr及びＧrtrが減算された値として、補正後の加速度Ｇsraが演算される。また、上記式（２）に従って、加速度センサ１４Ｌにより検出された加速度Ｇslから誤差成分Ｇycl、Ｇrcl、Ｇytl、及びＧrtlが減算された値として、補正後の加速度Ｇslaが演算される。

ステップ１７０においては、補正後の加速度Ｇsra及びＧsla及び距離Ｒsに基づいて、上記式（３）に従ってステアリングホイール１２の回転加速度として操舵角加速度dωが演算される。

以上の説明から解るように、ステップ２０〜５０において、車両２４がヨー加速度運動することにより点Ｐr及びＰlに発生する求心加速度に起因する誤差成分Ｇycr及びＧycl及び接線方向の加速度に起因する誤差成分Ｇytr及びＧytlが演算される。同様に、ステップ１２０〜１５０において、車両２４がロール加速度運動することにより点Ｐr及びＰlに発生する求心加速度に起因する誤差成分Ｇrcr及びＧrcl及び接線方向の加速度に起因する誤差成分Ｇrtr及びＧrtlが演算される。

ステップ１６０において、加速度センサ１４Ｒにより検出された加速度Ｇsrから誤差成分Ｇycr、Ｇrcr、Ｇytr及びＧrtrが減算された値として、補正後の加速度Ｇsraが演算される。また、加速度センサ１４Ｌにより検出された加速度Ｇslから誤差成分Ｇycl、Ｇrcl、Ｇytl、及びＧrtlが減算された値として、補正後の加速度Ｇslaが演算される。更に、ステップ１７０において、補正後の加速度Ｇsra及びＧslaの差（Ｇsra−Ｇsla）を距離Ｒsにて除算した値に基づいて、ステアリングホイール１２の回転加速度として操舵角加速度dωが演算される。

［第二の実施形態］
図１０は、本発明の第一の実施形態にかかる車両の操舵角速度検出装置１０を示す概略構成図である。なお、図１０において、図１に示された部材と同一の部材には図１において付された符号と同一の符号が付されている。このことは、後述の図１２及び図１３についても同様である。

図１０と図１との比較から解るように、第二の実施形態においては、加速度センサ１４Ｌは、第一の実施形態の場合とは逆の方向の加速度Ｇslを検出する。よって、加速度センサ１４Ｌ及び１４Ｒは、交点Ｏを通り回転軸線２８に垂直な仮想の平面３６内にて仮想の直線３４に垂直で互いに逆方向の加速度Ｇsl及びＧsrを検出する。また、第二の実施形態においては、電子制御装置２２は、補正後の加速度Ｇsra及びＧslaに基づいて、上記式（３）に対応する下記の式（３１）に従ってステアリングホイール１２の回転角加速度を演算することにより操舵角加速度dωを演算する。
dω＝（Ｇsra＋Ｇsla）／（２Ｒs） …（３１）

次に、図１１に示されたフローチャートを参照して第二の実施形態における操舵角加速度dωの演算ルーチンについて説明する。なお、図１１において、図９に示されたステップと同一のステップには、図９において付されたステップ番号と同一のステップ番号が付されている。

図１１と図９との比較から解るように、ステップ１０〜１６０は第一の実施形態の場合と同様に実行され、これにより補正後の加速度Ｇsra及びＧslaが演算される。ステップ１６０が完了すると、ステップ１８０において、上記（３１）に従って操舵角加速度dωが演算される。

第一及び第二の実施形態の何れにおいても、補正後の加速度Ｇsra及びＧslaは、車両２４のヨー加速度運動及びロール加速度運動に起因する加速度の誤差成分を含まない加速度である。よって、一対の補正後の加速度はステアリングホイール１２の円１４における正確な接線方向の加速度であるので、一対の補正後の加速度に基づいてステアリングホイールの正確な回転角加速度、即ち操舵角加速度dωを演算することができる。

［第三の実施形態］
図１２は、本発明の第三の実施形態にかかる車両の操舵角速度検出装置１０を示す概略構成図である。

図１２と図１との比較から解るように、第三の実施形態においては、操舵角速度検出装置１０は、ヨーレートセンサ１８及びロールレートセンサ２０を有していない。よって、電子制御装置２２には、車両２４のヨーレートＹＲ及びロールレートＲＲを示す信号は入力されない。

電子制御装置２２は、図１４に示されたフローチャートに従って操舵角加速度dωを演算する。第三の実施形態においては、第一及び第二の実施形態におけるステップ２０〜１６０は実行されない。また、ステップ１０においては、加速度センサ１４Ｌ及び１４Ｒにより検出された加速度Ｇsl及びＧsrを示す信号及び操舵角センサ１６により検出された操舵角θを示す信号の読み込みが行われ、ステップ１０が完了すると、ステップ１９０が実行される。

ステップ１９０においては、加速度Ｇsr及びＧsl及び距離Ｒsに基づいて、下記の式（３２）に従ってステアリングホイール１２の回転加速度として操舵角加速度dωが演算される。
dω＝（Ｇsr−Ｇsl）／（２Ｒs） …（３２）

［第四の実施形態］
図１３は、本発明の第四の実施形態にかかる車両の操舵角速度検出装置１０を示す概略構成図である。

図１３と図１０との比較から解るように、第四の実施形態においても、操舵角速度検出装置１０は、ヨーレートセンサ１８及びロールレートセンサ２０を有していない。よって、電子制御装置２２には、車両２４のヨーレートＹＲ及びロールレートＲＲを示す信号は入力されない。

電子制御装置２２は、図１５に示されたフローチャートに従って操舵角加速度dωを演算する。第四の実施形態においても、第一及び第二の実施形態におけるステップ２０〜１６０は実行されない。また、ステップ１０は、第三の実施形態におけるステップ１０と同様に実行され、ステップ１０が完了すると、ステップ２００が実行される。

ステップ２００においては、加速度Ｇsr及びＧsl及び距離Ｒsに基づいて、下記の式（３３）に従ってステアリングホイール１２の回転加速度として操舵角加速度dωが演算される。
dω＝（Ｇsr＋Ｇsl）／（２Ｒs） …（３３）

以上の説明から解るように、第一乃至第四の実施形態によれば、操舵角又は演算された値を微分することも２回微分することも不要であり、微分又は２回微分によって誤差が増幅されることはない。よって、微分又は２回微分による悪影響を受けることなく、操舵角加速度を正確に演算することができる。

また、第一乃至第四の実施形態によれば、加速度センサ１４Ｌ及び１４Ｒは、回転軸線２８に垂直な仮想の平面３６内にて仮想の直線３４に垂直な方向の加速度を検出することができればよいので、１軸式の加速度センサであればよい。よって、高価な２軸式又は３軸式の加速度センサが必須である上記特許文献１に記載された操舵角演算装置に比して、操舵角加速度検出装置１０のコストを節減することができる。

特に、第一及び第三の実施形態によれば、加速度センサ１４Ｌ及び１４Ｒは、ステアリングホイール１２の回転軸線２８から等距離の位置に設けられ、互いに同一の方向の加速度Ｇsl及びＧsrを検出する。よって、車両のピッチング、横移動、上下運動に起因する加速度は、加速度Ｇsl及びＧsrにそれぞれ互いに同一の誤差成分として含まれる。従って、上記式（３）又は（３２）に従って補正後の加速度の差Ｇsra−Ｇsla又は加速度の差Ｇsr−Ｇslに基づいて操舵角加速度dωを演算する際に、車両のピッチング、横移動、上下運動に起因する加速度の誤差成分を相殺することができる。

同様に、第二及び第四の実施形態によれば、加速度センサ１４Ｌ及び１４Ｒは、ステアリングホイール１２の回転軸線２８から等距離の位置に設けられ、互いに逆方向の加速度Ｇsl及びＧsrを検出する。よって、車両のピッチング、横移動、上下運動に起因する加速度は、加速度Ｇsl及びＧsrにそれぞれ互いに大きさが同一で符号が逆の誤差成分として含まれる。従って、上記式（３１）又は（３３）に従って補正後の加速度の和Ｇsra＋Ｇsla又は加速度の和Ｇsr＋Ｇslに基づいて操舵角加速度dωを演算する際に、車両のピッチング、横移動、上下運動に起因する加速度の誤差成分を相殺することができる。

更に、第三及び第四の実施形態によれば、ヨーレートセンサ１８及びロールレートセンサ２０は不要である。よって、第一及び第二の実施形態の場合に比して、操舵角速度検出装置１０の構造を簡略化し、コストを低減し、電子制御装置２２の演算負荷を低減することができる。なお、第三及び第四の実施形態においては、操舵角θは操舵角加速度dωの演算に使用されないので、操舵角センサ１６は省略されてもよい。

また、穏やかなレーンチェンジが行われる場合のように、運転者の操舵操作が穏やかで、操舵角速度の大きさ及び操舵角加速度の大きさが大きくないときには、車両２４のヨーレートＹＲ及びロールレートＲＲは大きい値にならず、補正後の加速度Ｇsra及びＧslaは加速度Ｇsl及びＧsrと実質的に同一である。従って、運転者の操舵操作が穏やかであるときには、第一及び第二の実施形態の場合と同様に、操舵角加速度dωを正確に演算することができる。

以上においては、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

例えば、上述の第一及び第二の実施形態においては、検出された加速度Ｇsr及びＧslから、車両２４がヨー加速度運動することによる誤差成分及び車両２４がロール加速度運動することによる誤差成分が減算された値として、補正後の加速度Ｇsra及びＧslaが演算される。しかし、車両２４がヨー加速度運動することによる誤差成分及び車両２４がロール加速度運動することによる誤差成分の何れか一方の減算が省略されてもよい。

特に、車両２４がヨー加速度運動することによる誤差成分の減算が省略される場合には、補正後の加速度Ｇsra及びＧslaは、それぞれ下記の式（３４）及び（３５）に従って演算される。
Ｇsra＝Ｇsr−Ｇrcr−Ｇrtr …（３４）
Ｇsla＝Ｇsl−Ｇrcl−Ｇrtl …（３５）

同様に、車両２４がロール加速度運動することによる誤差成分の減算が省略される場合には、補正後の加速度Ｇsra及びＧslaは、それぞれ下記の式（３６）及び（３７）に従って演算される。
Ｇsra＝Ｇsr−Ｇycr−Ｇytr …（３６）
Ｇsla＝Ｇsl−Ｇycl−Ｇytl …（３７）

また、上述の各実施形態においては、操舵操作量としてステアリングホイール１２の回転加速度として操舵角加速度dωが演算される。しかし、操舵角加速度dωが積分されることにより、操舵角加速度dω及び操舵角加速度ωが演算されるよう修正されてもよい。

また、上述の各実施形態においては、操舵角加速度検出装置１０は左側通行の車両２４に適用されている。しかし、本発明の操舵角加速度検出装置は右側通行の車両２４に適用されてもよい。なお、その場合には、車両の重心Ｐgに対するステアリングホイール１２及び種々の点の位置関係が仮想の鉛直面４０に対し図示の関係とは対称の関係になる。

また、上述の各実施形態においては、加速度センサ１４Ｌ及び１４Ｒは、交点Ｏに対し互いに１８０°隔置された位置に設けられている。しかし、一対の加速度センサは交点Ｏに対し１８０°以外の角度にて隔置された位置に設けられてもよい。その場合には、一対の加速度センサの加速度検出方向がなす角度に基づいて一対の加速度センサにより検出された加速度から接線方向の加速度成分が抽出され、抽出された加速度成分に基づいて操舵角加速度ωが演算される。

１０…操舵角加速度検出装置、１２…ステアリングホイール、１４Ｌ，１４Ｒ…加速度センサ、１６…操舵角センサ、１８…ヨーレートセンサ、２０…ロールレートセンサ、２２…電子制御装置、２４…車両、２８…回転軸線

Claims (6)

1. 回転軸線の周りに回転するステアリングホイールを有する車両の操舵角加速度検出装置において、
   前記回転軸線と直交する仮想の直線上にて前記回転軸線から等距離隔置されて前記ステアリングホイールに設けられ、前記回転軸線に垂直な仮想の平面内にて前記仮想の直線に垂直な方向の加速度を検出する一対の加速度センサと、
   前記一対の加速度センサにより検出された一対の加速度及び前記等距離に基づいて前記ステアリングホイールの回転角加速度を演算することにより操舵角加速度を演算する演算装置と、
   を有する車両の操舵角加速度検出装置。
2. 請求項１に記載の車両の操舵角加速度検出装置において、前記一対の加速度センサは、互いに同一の方向の加速度を検出し、前記演算装置は、前記一対の加速度の差を前記等距離にて除算した値に基づいて前記ステアリングホイールの回転角加速度を演算する車両の操舵角加速度検出装置。
3. 請求項１に記載の車両の操舵角加速度検出装置において、前記一対の加速度センサは、互いに逆方向の加速度を検出し、前記演算装置は、前記一対の加速度の和を前記等距離にて除算した値に基づいて前記ステアリングホイールの回転角加速度を演算する車両の操舵角加速度検出装置。
4. 請求項１に記載の車両の操舵角加速度検出装置において、
   前記操舵角加速度検出装置は、前記ステアリングホイールが搭載された車両の運動状態量として、ヨーレート及びロールレートの少なくとも一方を検出する運動状態量検出センサを有し、
   演算装置は、前記一対の加速度センサにより検出された一対の加速度から、前記運動状態量に起因する加速度の誤差成分を減算することにより、補正後の一対の加速度を演算し、前記補正後の一対の加速度及び前記等距離に基づいて前記ステアリングホイールの回転角加速度を演算することにより操舵角加速度を演算する車両の操舵角加速度検出装置。
5. 請求項４に記載の車両の操舵角加速度検出装置において、前記一対の加速度センサは、互いに同一の方向の加速度を検出し、前記演算装置は、前記補正後の一対の加速度の差を前記等距離にて除算した値に基づいて前記ステアリングホイールの回転角加速度を演算する車両の操舵角加速度検出装置。
6. 請求項５に記載の車両の操舵角加速度検出装置において、前記一対の加速度センサは、互いに逆方向の加速度を検出し、前記演算装置は、前記補正後の一対の加速度の和を前記等距離にて除算した値に基づいて前記ステアリングホイールの回転角加速度を演算する車両の操舵角加速度検出装置。
   
   

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