JP2019055650A - 操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】路面状態に応じて適正な操舵を行うことが可能になる操舵装置を提供すること。【解決手段】トウイン状態に設定された一組の操舵輪１１及び１２と、前記一組の操舵輪１１及び１２の間を連結するタイロッド３１と、前記タイロッド３１に加わる圧縮力を測定する圧縮力センサ４１と、前記タイロッド３１を操作する駆動機構と、前記圧縮力センサ４１が測定した圧縮力から前記操舵輪に加わるセルフアライニングトルクを算出して路面状態を算出する路面状態算出手段と、前記路面状態算出手段が算出した前記路面状態に応じて前記駆動機構を駆動する制御装置とを有し、車両に搭載される操舵装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、操舵装置に関する。

車両は目的とする方向に操舵輪を操舵されると、路面と操舵輪との間に車両の左右方向の力である横滑り抵抗が発生し、車両の進行方向が変化することになる。

この横滑り抵抗は、路面と操舵輪との間の摩擦係数により大きさが決定される値である。

特開2004-352046号公報

近年、車両の操作を乗員が行うこと無く運転できる自動運転車の実現が求められている。自動運転車の実現にあたり、適正な操舵を行う必要があるが、路面状態は刻一刻と変化しており適正な操舵を実現することは困難である。

本発明は上記実情に鑑み完成したものであり、路面状態に応じて適正な操舵を行うことが可能になる操舵装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する目的で本発明者らは鋭意検討を行った結果、車両の走行中に路面状態、特に摩擦係数を常に検出し、得られた摩擦係数から操舵角を決定することにより、路面の摩擦係数に応じた適正な操舵を実際の操舵前に想定することが可能になり、従来よりも円滑な車両の挙動が実現できることが分かった。

（１）上記知見に基づいて完成した本発明の操舵装置は、
トウイン状態に設定された一組の操舵輪と、
前記一組の操舵輪の間を連結するタイロッドと、
前記タイロッドに加わる圧縮力を測定する圧縮力センサと、
前記タイロッドを操作する駆動機構と、
前記圧縮力センサが測定した圧縮力から前記操舵輪に加わるセルフアライニングトルクを算出して路面状態を算出する路面状態算出手段と、
前記路面状態算出手段が算出した前記路面状態に応じて前記駆動機構を駆動する制御装置と、
を有し、
車両に搭載される操舵装置である。

一組の操舵輪をトウイン状態に設定し、その間を接続するタイロッドに加わる圧縮力が一組の操舵輪のそれぞれに加わるセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）の和になること、更にはＳＡＴが操舵輪と路面との摩擦係数（路面状態）により大きさが変わることを利用して、タイロッドに加わる圧縮力から求められた操舵輪に発生するＳＡＴから、路面状態を算出している。得られた路面状態から操舵輪を適正に操舵することで車両の円滑な運転が実現できる。なお、ＳＡＴを測定して車輪のグリップ度を推定する技術は知られているが、タイロッドに加わる圧縮力に基づいてＳＡＴを算出して操舵する装置は知られていない（特許文献１）。

（２）上記（１）に記載の操舵装置は、以下の構成を有することができる。
前記制御装置は、
走行する道路を前記車両が倣うように、道路形状データに基づいて前記駆動機構を制御し、
横滑り抵抗の発生可能な上限である横滑り抵抗上限値を前記路面状態から決定する横滑り抵抗上限値算出手段と、前記道路形状データと前記車両の速度と算出される旋回に必要な横滑り抵抗が前記横滑り抵抗上限値以下になるように前記速度を制御する速度制御手段とをもつ。

摩擦係数が小さいなどの路面状態によっては現在の速度では余裕をもって曲がることができない場合があるため、道路形状データに基づいて操舵輪の操作に加えて車両の速度も制御することができるようにすることで更に円滑な運転を実現することができる。

（３）上記（２）に記載の操舵装置は、以下の構成を有することができる。
前記横滑り抵抗上限値算出手段は、現在までに得られた路面状態から、前記車両が進行する先の路面の路面状態を推定した結果から、前記進行する先の路面での前記横滑り抵抗上限値を推定し、
前記速度制御手段は、前記進行する先の路面における前記道路形状データに基づいて制御すべき前記速度を決定して前記車両が前記進行する先の路面に到達する前に前記速度を制御する。

上記（２）の構成において速度を制御する必要があるかどうかを道路形状データから予め決定する場合に摩擦係数を現在の路面状態から推定するようにすることで更に円滑に自動運転を行うことができる。

本実施例の操舵装置を示す概略図である。 本実施例の操舵装置を備えた車両が進行する道路を示す概略図である。 図２の道路を進行するときに車両に発生する横滑り抵抗の変位を示すグラフである。 本実施例において目的とする回転半径と操舵角との関係を示すグラフである。

本発明の操舵装置について以下実施形態に基づき詳細に説明を行う。なお、本実施形態において用いる図面は模式図で有り寸法などは説明のために一部誇張・省略などを行っている場合がある。

本実施形態の操舵装置は、車両の操舵輪を操作して車両の進行方向を制御する装置である。本実施形態の操舵装置は、操舵輪とタイロッドと圧縮力センサと駆動機構と路面状態算出手段と制御装置とその他必要な装置とを有する。

操舵輪はキングピンを介して車両に回動自在に配設されており、キングピンを回動軸として回動させることにより車両の進行方向を制御する。キングピンは上方が後ろ（キャスター角）と内側（キャンバー角）に傾いている。操舵輪は後方に延びるナックルアームをもつ。操舵輪は左右一組有しており、両者の向きは前方に向けて先細りになるように調節されている（トウイン状態）。操舵輪はトウイン状態になっているため、一組の操舵輪はそれぞれＳＡＴが作用し、前方が拡がる方向の合力が生じることになる。キャスター角、キャンバー角、トウイン状態は、それぞれ車両の直進性を向上する目的で設定されている。

タイロッドは、操舵輪に接続されたナックルアームを連結する。タイロッドとナックルアームとの間は揺動自在に配設される。タイロッドを左右に移動させることにより操舵輪が回動する。

圧縮力センサは、タイロッドに加わる圧縮力を測定する。先述したように、操舵輪には前方が拡がる方向の合力が常に加わるため、タイロッドには圧縮力が加わることになる。この圧縮力は、一組の操舵輪のそれぞれに加わるＳＡＴの合力であるため、操舵輪と路面との間の摩擦係数が大きいほど大きな圧縮力になる。そのため、圧縮力の大きさから操舵輪と路面との間の路面状態（特に摩擦係数に関連する）が推定できる。路面状態の推定は後述する路面状態算出手段により行う。

駆動機構は、タイロッドを操作する機構である。一例としては、電動機と電動機の回転出力を減速する減速機と減速機の回転出力をタイロッドに伝達する伝達機構とを有するものがある。

路面状態算出手段は、圧縮力センサから入力されるタイロッドに加わる圧縮力から操舵輪と路面との間の摩擦係数に関連する値を路面状態として算出する手段である。路面状態算出手段により得られた路面状態は、制御装置に出力される。横滑り抵抗の値、制動力、駆動力の限界値は、路面状態に応じて決定されるため、路面状態算出手段により路面状態を算出することにより車両の挙動を予想して運転することができる。

なお、路面状態は操舵輪が発生できる横滑り抵抗の値を算出するために必要であるため、路面状態を摩擦係数として厳密な数値として算出することは必須では無く、操舵輪が発生できる横滑り抵抗が推定できる摩擦係数に関連する値として算出しても良い。例えば、路面状態としては、摩擦係数をそのまま利用したり、圧縮力をそのまま利用したりできる。

路面状態の値は、実験などにより圧縮力と操舵輪が発生できる横滑り抵抗との関係を求めておくか、実際の運用時に発生した横滑り抵抗から関係を求めておくことが好ましい。更には本実施形態の操舵装置が操舵輪を操舵した操舵角の大きさと実際に発生した横滑り抵抗との関係から、そのときの路面状態（摩擦係数など）を推定し、実際に路面状態算出手段が算出した路面状態の値を補正することが望ましい。

制御装置は、路面状態算出手段が算出した路面状態に応じて駆動機構を制御する。路面状態が変化すると同じように操舵輪を操舵しても車両の挙動は変化する。具体的には同じ操舵角にしても路面状態によっては同じ横滑り抵抗は得られない。また、操舵輪を操舵できる範囲も限られるため、発生できる横滑り抵抗の上限値にも限界がある。そのため、必要な大きさの横滑り抵抗が発生するように路面状態に応じて操舵輪を操作するように駆動機構を制御する。

特に、制御装置は、道路形状データに基づいて駆動機構を制御することが望ましい。道路形状データは、予めデータとして蓄積していても良いし、撮像装置などの手段から道路を撮像して道路形状データを抽出しても良い。道路形状データからは車両の将来の移動軌跡が算出でき、その移動軌跡に倣って車両を移動させるために必要な横滑り抵抗の大きさ（必要横滑り抵抗）も算出できる。

ここで、路面状態から算出された横滑り抵抗の上限値（横滑り抵抗上限値：横滑り抵抗上限値算出手段により算出できる）では、その必要横滑り抵抗が発生できない場合がある。例えば、速度が大きい場合は必要横滑り抵抗も大きくなるにもかかわらず、路面状態として摩擦係数が小さくなっている場合には、横滑り抵抗上限値が小さくなって、必要横滑り抵抗を発生させることができなくなる。そのような場合には必要横滑り抵抗が横滑り抵抗上限値よりも小さくなるように車両を減速することが望ましい。そのためには制御装置は車両の速度を制御する速度制御手段を有することが好ましい。

制御装置が車両の速度を制御することが出来るようにした場合には、横滑り抵抗の上限値は車両が進行する先の路面における路面状態に基づいて決定することが好ましい。従って、路面状態算出手段は、現在、操舵輪が存在する路面における路面状態から一定距離後の路面状態を推測することが好ましい。一定距離後の路面状態を推測する方法としては、現在の路面状態が車両が進行する先の路面までそのまま継続すると仮定して現在の路面状態をそのまま一定距離後の路面状態とする方法や、路面状態の変動傾向を算出し、その変動傾向が車両が進行する先の路面までそのまま継続すると仮定することで現在の路面状態から一定距離後の路面状態を外挿して推測する方法などが挙げられる。また、気温を測定する温度センサや、車両が進行する先の路面を撮像する撮像装置により車両の外部環境を取得することによって車両が進行する先の路面の路面状態を推測することもできる。

車両が進行する先の路面において推測した路面状態から算出される横滑り抵抗上限値が道路形状データと車両の速度とから算出される必要横滑り抵抗よりも小さい場合には、必要横滑り抵抗が横滑り抵抗上限値を下回るように減速する。減速は車両が進行する先の路面に到達するまでに行うため、緩やかに行うことができる。

その他必要な装置としては横滑り抵抗を実測する加速度センサ、設定した目的地に応じて車両が進む道路を選択する装置、現在位置を測定する装置（いわゆるＧＰＳなど）などが挙げられる。

本発明の操舵装置について更に詳細に説明を行う。本実施例の操舵装置は、図１に示すように、右の操舵輪１１と左の操舵輪１２とがトウイン状態に配設されている。右操舵輪１１には右ナックルアーム２１が、左操舵輪１２には左ナックルアーム２２が配設されており、それら左右のナックルアーム２１及び２２の間をタイロッド３１にて連結している。タイロッド３１と左右のナックルアーム２１及び２２とを接続する部分３１ａ及び３１ｂは揺動自在に配設される。タイロッド３１には圧縮力センサ４１が配設される。タイロッド３１を左右に操作すると左右のナックルアーム２１及び２２を介して左右の操舵輪１１及び１２が回動する。タイロッド３１を左右に操作する駆動機構（図略）が配設されている。圧縮力センサ４１が測定した圧縮力は制御装置（図略）に入力される。制御装置は駆動機構を制御する。

図１より明らかなように、右操舵輪１１は、車両が進行方向Ｆに進むと進行方向Ｆに対して僅かに反時計方向にずれた方向を向いているため、時計方向に回転する力がＳＡＴ１として生じる。左操舵輪１２については右操舵輪１１とは反対に反時計方向に回転する力がＳＡＴ２として生じる。圧縮力センサ４１はこれらのＳＡＴ１とＳＡＴ２との合力が加わることになる。この合力は、左右の操舵輪１１及び１２の向きには関係無く、路面状態（摩擦係数）が同じであれば概ね同程度の力の大きさになる。そのために車両の操舵状況に関わらず（直進状態、転回状態を問わず）常に路面状態を測定することが可能になる。

次に走行中に路面状態を測定したときの動作を説明する。図２に示すような道路形状をもつ道路を車両が進行する場合について説明する。図２に示すように、車両９は、スタート地点ＢＰから図面右方に向けて軌跡Ｔに沿って一定速度で走行している。右操舵輪１１が通過する軌跡を軌跡Ｒ、左操舵輪１２が通過する軌跡を軌跡Ｌで示す。

車両がスタート地点ＢＰを通過し領域Ａにある場合は、車両は直進状態である。その場合でもタイロッド３１には常に圧縮力が加わっており、その値は路面状態（特に摩擦係数）に応じて変化する。そのため、測定した圧縮力から路面状態を算出することができる（路面状態算出手段）。路面状態は常に算出し続けることが好ましい。その場合には測定したデータから算出した路面状態を重み付けして、車両が進行する先の路面状態のデータとする。重み付けは、時間を遡るほど、小さな重み付けにすることにより、車両が走行している場所近傍の路面状態の影響が一番大きくなるように調整できる。

その後、領域Ａから領域Ｂ（カーブ）に車両９が移行するときには、算出した路面状態がそのまま続くと仮定して本実施例の操舵装置は操舵を行う。具体的には、車両を倣わせたい道路形状データから、車両の転回の程度を決定し、その転回を実現するためにはどの程度タイロッド３１を操作して左右の操舵輪１１及び１２を操舵すべきかを算出する。車両が道路形状データに沿って移動できるように、設定された横滑り抵抗（目標横滑り抵抗）を生じさせるために、算出した路面状態から操舵量を暫定目標操舵角として決定し、その暫定目標操舵角に向けて駆動機構にてタイロッド３１を操作して操舵を行う。

その後、横滑り抵抗を実測する加速度センサを設けている場合にはその実測値（実測横滑り抵抗）、そうで無い場合には圧縮力センサ４１にて測定した圧縮力から左右の操舵輪１１及び１２から発生する横滑り抵抗を算出（算出横滑り抵抗）する。得られた横滑り抵抗（実測横滑り抵抗又は算出横滑り抵抗、以下「実測横滑り抵抗等」と称することがある）が目標横滑り抵抗と異なる場合には、一致するように操舵角を変化させるように駆動機構を制御する（操舵角を目標操舵角とする）。

摩擦係数が予想よりも大きくて、実測横滑り抵抗等が目標横滑り抵抗よりも大きくなった場合には、操舵角を小さくする方向に駆動機構を制御する。反対に摩擦係数が予想よりも小さくて、実測横滑り抵抗等が目標横滑り抵抗よりも小さくなった場合には、操舵角を大きくする方向に駆動機構を制御する。ここで、操舵角に応じて発生できる横滑り抵抗の大きさには限界があるため、左右の操舵輪１１及び１２の更なる操舵（切り増し）では横滑り抵抗を大きくできない場合には車両を減速する。

本実施例の操舵装置では、高精度で路面状態が算出できるために目標横滑り抵抗と実測横滑り抵抗等との差が小さくできるため、滑らかな車両の運転が可能になる。

その後、領域Ｂから領域Ｃ（直進）に車両９が移行するときには左右の操舵輪１１及び１２を直進状態に戻すように駆動機構を制御する。

このように、車両９の左右の操舵輪１１及び１２を操舵して車両９を道路形状データに基づき運転していく。この場合に運転に伴い、圧縮力センサ４１が測定した圧縮力の値から常に路面状態を算出して目標横滑り抵抗の値を更新していく。

ここで、道路形状データから算出される車両が進行すべき目的半径から、目標操舵角を算出する１方法を例示する。図４に示すように、回転半径と操舵角との関係を示すグラフが作成されており、そのグラフに基づいて目的半径から目標操舵角を算出する。この場合に、路面状態に応じて幾つかの関係が作成されている。図４を例にすると、実線で示した関係よりも破線で示した関係の方が路面状態（摩擦係数）が小さい場合の関係で有り、そのような関係を複数の路面状態に応じて予め作成しておくか、他の路面状態に置ける関係から算出して用いる。

１１、１２…操舵輪
２１、２２…ナックルアーム
３１ …タイロッド
４１ …圧縮力センサ

Claims (3)

1. トウイン状態に設定された一組の操舵輪と、
   前記一組の操舵輪の間を連結するタイロッドと、
   前記タイロッドに加わる圧縮力を測定する圧縮力センサと、
   前記タイロッドを操作する駆動機構と、
   前記圧縮力センサが測定した圧縮力から前記操舵輪に加わるセルフアライニングトルクを算出して路面状態を算出する路面状態算出手段と、
   前記路面状態算出手段が算出した前記路面状態に応じて前記駆動機構を駆動する制御装置と、
   を有し、
   車両に搭載される操舵装置。
2. 前記制御装置は、
   走行する道路を前記車両が倣うように、道路形状データに基づいて前記駆動機構を制御し、
   横滑り抵抗の発生可能な上限である横滑り抵抗上限値を前記路面状態から決定する横滑り抵抗上限値算出手段と、前記道路形状データと前記車両の速度と算出される旋回に必要な横滑り抵抗が前記横滑り抵抗上限値以下になるように前記速度を制御する速度制御手段とをもつ、
   請求項１に記載の操舵装置。
3. 前記横滑り抵抗上限値算出手段は、現在までに得られた路面状態から、前記車両が進行する先の路面状態を推定した結果から、前記進行する先の路面での前記横滑り抵抗上限値を推定し、
   前記速度制御手段は、前記進行する先の路面における前記道路形状データに基づいて制御すべき前記速度を決定して前記車両が前記進行する先の路面に到達する前に前記速度を制御する、
   請求項２に記載の操舵装置。

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