JP2018089996A - 車両操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
自重や道路の曲率などの状態変化および２軸車・3軸車・4軸車の車種違いに適応する車両操舵装置において、操舵系のヒステリシスのため特に小舵角域の舵が決めにくい課題を解決し、積載による自重変化による舵の効き変化へ対処する課題を解決し、操舵角を制御して目標コースを描き、それを辿る車両操舵装置を提供する。
【解決手段】
車両横運動の指標であるスタビリティファクタと横すべり係数を２軸車・3軸車・4軸車の車種違い且つ積載変化、軸重変化に適応する数式で与えそれを用いて目標経路を辿る実舵角を算出し、その実舵角から操舵系ヒステリシスの対角線を操舵系ギヤ比として操舵角を制御する。
【選択図】図９

Description

本発明は、自重や道路の曲率などの状態変化および２軸車・３軸車・４軸車の車種違いに適応する車両操舵装置に関する。

国立研究開発法人新エネルギー産業技術開発機構（ＮＥＤＯ:New Energy Industrial Technology）のエネルギーＩＴＳプロジェクトが２００８年から２０１３年まで推進された。実路にはカント（横断勾配）があり車両の進路制御に影響するためカントの影響をうける操舵の中立変動、車軸の向き変動を考慮した車両運動モデルの研究報告、積載量の変化によって車両の進路制御に影響するため積載状態を推定する方法の研究報告などが非特許文献１〜３に報告されている。
その実用化に向けて、内閣府が主導する「戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）」において、次世代公共交通システムの実用化の開発が推進されている。

前記非特許文献１は、前軸のタイヤ切れ角（実舵角）および後軸の軸整列が旋回路、カント路（バンク路）にて“変化”するため車両の進路が変化することを示して、この変化（学術用語はコンプライアンスステアと称する）を考慮に入れた車両運動モデル（数学モデル）を導出して、高速道路データによるモデル検証を実施している。

また前記非特許文献２は、非特許文献１で導出された「運動モデル（数学モデル）の走り」を「実車の走り」に同定するための実験同定法を示して、積載変化（荷の積み降ろしによる重量変化等）による車両操舵運動の変化に対処するため、車体振動から“積載量を推定する方法”を報告している。
また前記非特許文献３は、“ハンドル中立変動”を生じさせる前輪整列（フロントホィールアライメント）のメカニズムを実験解析して、非特許文献１のモデルを改良した上で、“道路曲率とカントからハンドル角を逆算する制御モデル”を示し、そのモデル検証を実施している。

一方特許文献１には、自車両前方の所定エリア内に存在する対象物を検出し他対象物との衝突を回避するための自動運転操作をする運転支援装置が開示され、特許文献２には、ステアリングホィール及び転舵輪の中立ずれが発生しているか否かを判定してそれを解消するように操舵角比を制御することが開示され、特許文献３にはバス停に横付けする際に、バス停縁石とバス停車体との隙間を小さくする且つ平行にするため、後輪が描く軌跡を辿るハンドル角の算出方法が開示されている。

「路面カントおよび曲率を考慮した自動運転トラックの横運動モデル」籾山冨士男ほか，自動車技術会論文集Vol.44,No.2,March2013,No.2013 4207, p.473478. 「自動運転大型トラックのための横運動モデルの積載状態推定」籾山冨士男ほか，自動車技術論文集，Vol.44, No.6, November 2013, No.20134847, p.1377-1832. 「自動運転トラックのカント路車線維持解析とモデリング」 籾山冨士男ほか、自動車技術論文集，Vol.45, No.6, November 2014, No.20144800, p.1027-1034. 再公表特許（A1）/国際公開番号W02012/147166 特開２０１５−１６８３６９号公報 特許第５９８１０１０号

非特許文献１は、高速道路のコース情報を受けて、それを辿る簡単化数学モデルを示しているがモデル諸元の簡単化に実用面での課題を残している。

非特許文献２は車体振動の固有値（固有振動数）から積載変化が推定できることを示すも、その車体振動の因子である懸架系のばね定数の検出法と固有振動数の検出の簡単化に実用面での課題を残している。

非特許文献３は前輪整列のメカニズムによるハンドルが中立変動を解明して数学モデルを導出するもヒステリシスによる非線形特性の簡単化への対処策に課題を残している。

特許文献１の運転支援装置では自車両前方の所定エリア内に存在する対象物を検出し、対象物との衝突を回避するための自動運転操作をするものである。しかしながら、どのように操舵制御するかは示していない。

特許文献２は、ステアリングホィールの操舵角と転舵輪（注：工学用語は実舵角）との関係を自由に制御可能な車両用操舵制御装置において、ステアリングホィール及び転舵輪の中立ずれが発生しているか否かを判定してそれを解消するように操舵角比を制御するものである。しかしながら、実車に存在するステアリングホィールの操舵角と実舵角の相関関係のヒステリシスによる中立変動への対処は実施していない。

特許文献３は、バス停に横付けする際に、バス停縁石とバス車体との間隔を小さく且つ平行にするために、後輪が描く軌跡を辿るハンドル角を算出する方法を数学式で示しているものである。しかしながら、その一層の簡単化の課題を残している。

本発明は、ヒステリシスのため操舵角の大きさによって操舵角÷実舵角の比が変化して特に小舵角域の舵が決めにくい課題を解決し、積載による自重変化による舵の効き変化へ対処する課題を解決し、操舵角を制御して目標コースを描き、それを辿る車両操舵装置を提供することを目的とする。
前１軸と後１軸で構成される２軸車、前１軸と後２軸で構成される３軸車および、前２軸後２軸で構成される４軸車の車種違いに共通使用可能な車両操舵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は、操舵角と実舵角の相関関係のヒステリシスの対角を結ぶ対角線をギヤ比として用いると“小舵角域の舵が効き難い課題の現実解”になる。これを“対角線ギヤレシオ”と称し、これを操舵制御モータへの指令値とする。

アクセルペダルストローク（エンジンへのスロットル信号）と発生する前後加速度から自重を推定し、且つ後軸の空気ばねの空気圧から後軸荷重を推定し、自重から後軸荷重を差し引いて前軸荷重を推定する。ここでの前後加速度には重力加速度の道路勾配の正弦成分が重畳するので車輪回転加速度との差異を求めて道路勾配を推定する。

軸荷重が推定されると、車両横運動の指標であるスタビリティファクタ（以下、Ｋ_ＳＦ）と横すべり係数（以下、Ｋ_β０）が定まり、制御に用いる制御式の指数表現ができる。この制御に用いるＫ_ＳＦとＫ_β０について車種違いに対応できる共通式を用意する。

Ｋ_ＳＦとＫ_β０は、車種違いを問わない共通の指票である。車軸の数によらず車両としての横運動を表現するものである。モデル式を導出して同定実験によって実車特性と車両モデルの運動の整合を確認して使用されるものであるが、予め軸数が多い４軸車としてのモデルを導出しておいて、不要な諸元をゼロと置くことによって３軸車、更に２軸車に適応する。

到達目標点を自車両が０．４から０．６秒後に到達すると予想される前方に置き、その位置の現位置に対する横偏差と進路角を画像またはレーザで捉える。その地点に至る経路の曲率を前方距離と横偏差距離と進路角と自車両の車体横すべり角から求める数式を示す。

Ｋ_ＳＦとＫ_β０を用いて到達目標点に至る必要前輪実舵角求める制御式、且つその実舵角に“対角線ギヤレシオ”を乗じて操舵角（即ち、操舵モータへの指令値）を決める。到達目標点と到達予測点との差異を検出して修正操舵角を加えて目標コースを辿る車両操舵装置を提供する。

本発明によれば、操舵応答に影響する積載変化及び軸重変化を検出して制御パラメータを変更して、到達目標点に至る操舵角を算出し、目標コースを描き、それを辿る車両操舵装置を実現することができる。

操舵角と操舵トルクの説明図である。 操舵角と実舵角の説明図である。 スタビリティファクタと横すべり係数の説明図である。 車両の走行軌跡の説明図である。 車両諸元記号の説明図である。 車両重量を推定する方法の説明図である。 道路勾配を推定する方法の説明図である。 車両操舵装置の作動の説明図である。 車両操舵装置の構成の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜９に基づいて説明する。
図１は、操舵角と操舵トルクの説明図である。操舵に対して反力トルクが生じてヒステリシス特性を描く。この図は、前軸の左右輪をそれぞれターンテーブルに乗せて操舵した場合の操舵角に対する操舵トルク変化の実車計測値である。操舵角±100°の場合を太線で示し、前輪タイヤ切れ角を左右に最大切れ角まで操舵する“ロックツーロック操舵”の場合を細線で示す。操舵角と操舵トルクのヒステリシスの上下幅を適切に設定して操舵の手ごたえを与える設計がされる。この手ごたえの与え方が手動運転のし易さを決める重要因子になるが、自動運転の場合は、操舵トルクによらず操舵角のみで制御するためヒステリシスの存在が小舵角域の制御性を阻害する要因になる。

図２は、図１と同時に計測される操舵角と実舵角である。ロックツーロックのヒステリシスループの中に、±100°操舵のヒステリシスループが収まっている。ヒステリシスの巾がロックツーロックの場合で±16°、±100°操舵の場合で±８°ある。操舵角に対する実舵角変化の勾配がギヤ比になるが、ロックツーロックでのギヤ比は２４、±100°操舵でのギヤ比は２８と読み取れ、ギヤ比は操舵角に反比例して変化することが読み取れる。この関係を右図の模式図にしてヒステリシスの対角線をギヤ比にとると操舵角に反比例するギヤ比の近似ができる。これを“対角線ギヤ比”と称し数式（１）で定義して、制御に用いる。

（数式１）

ここに、Ｒ_Ｄ：対角線ギヤ比、Ｒ_Ｇ：ギヤ比（ヒステリシスがない場合のギヤ比）、Ｂ：ヒステリシスの巾、δ_Ｈ：操舵角である。

図３は車両の旋回運動特性（横運動特性）の基本指標であるスタビリティファクタと横すべり係数の説明図である。図の左に（a）旋回する車両の自転運動と公転運動を示す。自転運動を横すべり角、公転運動を偏揺角と称する。座標系は右手右ねじの法則（ISO）を用いる。図右上に（ｂ）横滑り角の対車速変化を示す。横軸に速度の二乗をとり縦軸に横すべり角をとると横すべり角（β）は正から負へ移行する凹曲線になる。この曲線の速度ゼロ点における接線を横すべり係数（以下、Ｋ_β０）と称する。図右下に（ｃ）回転半径の対車速変化を示す。
横軸に速度の二乗をとり縦軸に回転半径をとると直線になる。この直線の勾配をスタビリティファクタ（以下、Ｋ_ＳＦ）と称する。このＫ_ＳＦとＫ_β０を制御に適用することにより２軸車・３軸車・４軸車の車種違いに適応する車両操舵装置の提供が可能になる。

図４は車両の走行軌跡の説明図である。自車両の前後中心軸をx軸にとり、x軸と直交し重心点Ｐ_Ｇを通るｙ軸とする座標系を用いて到達目標点の座標（x_pos,ｙ_pos）と、その到達点の進路角（ψ_xy）を捕らえると現在位置から到達目標点に至る経路の曲率（ρ）が数式（２）により求められる。到達目標点は、地点として捉えるほか、追尾する前方車両の後部とその角度とも捉える。

（数式２）

ここに、βはその瞬間の車体横すべり角であり、車速（ｖ_ｘ）を“車載加速度計による加速度の積分値として得られる速度ｖ”で除した値の余弦、又は“車載加速度計による加速度の積分値として得られる横速度ｖ_ｙ”を車速（ｖ_ｘ）で除した値の正弦により得られる。或いは、数式（３）によっても得られる。

（数式３）

ここに、ｌ_ｒ1ｌ_ｒ12は後２軸車の場合でありｌ_ｒ1は重心から後前軸までの距離、ｌ_ｒ12は後２軸間距離であり、ｌ_ｒ1をｌ_ｒとし、ｌ_ｒ12をゼロと置くことによって後１軸車に対応する。Ｋ_ＳＦは前出の図３に示すスタビリティファクタで実験及び数式（４）により求められ、諸元値を書き換えることによって、車種違いに適応する。

（数式４）

ここに、符号の説明は図５による。
更に、Ｋ_βOは、横すべり係数で前出の図３に示す実験及び数式（５）により求められ車種違いに適応する。

（数式５）

経路曲率が分かるとその経路を辿るための実舵角（δ）は数式（６）により求められる。

（数式６）

図５は車両諸元記号の説明図である。前後２軸車、前２軸・後１軸の３軸車、前１軸・後２軸の３軸車及び前２軸・後２軸の４軸車の車種違いに適応するため４軸車の図を示す。図中の左に平面図、中央に左右輪を車体中央に集約した自転車モデルで示す。４軸車の諸元から不要な諸元をゼロと置くことで４軸から３軸更に２軸車へと適応する。

図６は車両重量と軸重を推定する方法の説明図である。スタビリティファクタの式にも横すべり係数の式にも車両質量（ｍ）、軸荷重（Ｎ_ｆ1、Ｎ_ｆ2，Ｎ_ｒ1，Ｎ_ｒ2）が含まれており、車両質量は積載量、乗客数などで変化するので、その状態変化を検出する方法が必要になる。ニュートンの第二法則から「力＝質量×加速度」であるから、エンジン出力と走行加速度から車両質量を推定することが出来る。アクセル/スロットル％によって生じる走行加速度を空車状態で把握しておいて、積車時加速度÷空車加速度の比を空車重量に乗じて積車重量とする。この場合、変速機のギヤ比によって加速度が異なるので、同じギヤ比同士の加速度を比較する。また、エンジン出力はエンジン回転で変わるから、エンジントルクピーク点のエンジン回転位置で生じる加速度同士を比較する。図６はギヤ比を押さえ、ピークトルクエンジン回転を押さえて加速度を比較するプロセスを説明している。

図６の（1）にてギヤ車速とエンジン回転からギヤ比を判別してピークトルク点における空車加速度を把握して（2）の照合用空車加速度データとする。（3）で実稼動状態での加速度を検出して（5）にて空車重量との比を求めて積車重量を推定するが、加速度は道路勾配の影響を受けるので、（4）で求めた道路勾配（θ）のcosθで実稼動加速を除算して平坦路加速度に換算して（5）にて空車重量との比を求めて積車重量を推定する。更に、（6）にて後軸の空気ばねの空気圧から後軸荷重を検出して、車両重量から後軸荷重を引算して（7）の前軸荷重を求める。前軸にも後軸にも空気ばねを供えるフルエアサス車の場合は、前軸と後軸の空気ばねの空気圧から車両重量を検出することでも良い。

図７は道路勾配を推定する方法の説明図である。重心点に加速度計を設置して前後加速度（Ｇ_ｘ（run））を検出し、車輪の回転パルスから車輪加速度(2πω)を検出する。加速度計による前後加速度（Ｇ_ｘ）には道路勾配（θ）による加速度が重力加速度×sinθと車輪加速が重畳して検出されるから、加速度計による前後加速度から車輪速加速度を差し引いた値が道路勾配になる。数式（７）に道路勾配式を示す。

（数式７）

図８は車両操舵装置の作動の説明図である。図の中央の太枠部が制御対象車両である。制御対象車両は２軸車・３軸車・４軸車を想定する。モータ制御指示値を受けて操舵モータを制御して、Ｇセンサとヨーセンサによって自車の運動を把握する。図左部に前方認識装置（図示せず）より到達目標点の座標（x_pos,ｙ_pos）と進路角（ψ_xy）を受けて、そこに至る経路の曲率（ρ）を数式（１）により算出し、それに車速（v_x）を取り込み、車載横Ｇセンサが検出した横加速度（Ｇy）を積分して横速度（v_y）を得て、車速（v_x）との比をとって得られる横すべり角（β）を取り込んで数式（５）により前輪実舵角（δ）を算出する。尚、横すべり角βは、前出の数式（３）を用いても良い。

そのδに、フィードバック舵角（δ_FB）を加えて修正実舵角（δ’）として対角線ギヤ比を乗じて操舵角（δ_Ｈ）を得て操舵モータを駆動する。

操舵によって生じる横加速度とヨーレイトから横すべり角とヨー角を求め車体前後位置、車体横位置を求め、それを到達点の座標と姿勢角との偏差（ｅ2(t), ｅ3(t))を求め、微分・比例・積分ゲインを乗じて数式（８）によりフィードバック実舵角（δ_FB）を求め、フィードバックする。

（数式８）

図８は車両操舵装置の構成の説明図である。平面図にアクセル（スロットル）センサ、エンジン回転センサ、車速センサ、ヨーセンサ＋加速度センサ、車輪速センサを示す。側面図にステアリングホィール、操舵モータ、パワーステアリングギヤ、エンジン、自動変速機、空気圧センサを示す。自動運転ＥＣＵ、エンジンＥＣＵ、自動変速機ＥＣＵ、電子制御ブレーキＥＣＵ及び車両制御ＥＣＵと通信して機能する。これに前方認識のための前方認識装置（図示せず）が加わる。

前出の車両重量の推定、軸重の推定、勾配の推定は自動変速機ＥＣＵ又は自動運転ＥＣＵが担う。エンジン回転センサ、アクセル（スロットル）センサはエンジンＥＣＵ又は自動変速機ＥＣＵが担う。車速信号は自動変速機センサ、車輪速センサは電子制御ブレーキが担う。空気圧センサは車両制御ＥＣＵが担う。

Claims (9)

1. 走行方向前方に目標到達点を設定し、この目標到達点までの経路の曲率を前方距離と横偏差距離と進路角と自車両の車体横すべり角から求め、求めた経路の曲率から経路を辿るための実舵角を求め、求めた実舵角に対角線ギヤ比を乗じて必要操舵角を算出して操舵モータを制御することを特徴とする車両操舵装置。
2. 走行方向前方に目標到達点を設定し、この目標到達点までの経路の曲率を前方距離と横偏差距離と進路角と自車両の車体横すべり角から求め、求めた経路の曲率から経路を辿るための実舵角を求め、求めた実舵角に対角ギヤ比を乗じて必要操舵角を算出して操舵モータを制御し、操舵モータが作動して生じる自車両の運動を車載するヨーセンサと加速度センサによって検出してヨー角と車体横すべり角を算出して自車両の位置と姿勢角を求め目標経路との横偏差・角度偏差を算出する。その横偏差と角度偏差にフィードバックゲインを乗じて、先の操舵角を補正することによって目標経路を辿ることを特徴とする車両操舵装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の車両操舵装置において、到達目標点の横偏差と進路角から、到達目標点までの経路の曲率を算出する数式（２）を用いる車両操舵装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の車両操舵装置において、求められた経路の曲率と前方距離と横偏差と進路角及び自車両の車体横すべり角から目標経路を辿るための実舵角を算出する数式（３）（４）（５）及び（６）を用いる車両操舵装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の車両操舵装置において、求められた実舵角から操舵モータへの指令角を算出する数式（１）を用いる車両操舵装置。
6. 請求項１乃至請求項５の何れかに記載の車両操舵装置において、ヨーセンサと加速度センサを備え自車両の位置と姿勢角を求め目標経路との横偏差・角度偏差を算出して、フィードバックする実舵角を算出する数式（８）を用いる車両操舵装置。
7. 請求項１乃至請求項６の何れかに記載の車両操舵装置において、数式（２）（３）（４）（５）（６）及び（８）にスタビリティファクタ及び車体横すべり係数を用いる車両操舵装置。
8. 請求項１乃至請求項７の何れかに記載の車両操舵装置において、、数式（２）（３）（４）（５）（６）及び（８）に用いられる車両質量、重心位置、軸重の変化をアクセルスロットル％と車両加速度から推定する手段を備えた車両操舵装置。
9. 請求項１乃至請求項８の何れかに記載の車両操舵装置において、車両質量推定のために車輪速センサによる車速と加速度センサによる前後加速度から道路勾配を算出する数式（７）を用いる車両操舵装置。