JP2020183214A - 操舵制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステアバイワイヤ式車両において、前輪舵角の制御範囲が大きい場合であっても、あらゆる走行条件に対して操舵範囲をフル活用し、車両運動の目標性能を達成できる操舵制御装置を提供する。【解決手段】前輪横すべり角を計測もしくは推定し、前輪横すべり角の絶対値が設定値以上に大きくならないように前輪舵角を切り戻す制御を従来の制御に追加することで、前輪舵角の振動問題点を解決した。【選択図】図６

Description

本発明は、ドライバーが直接操作する前輪舵角操作器と該操作器と機械的に分離された前輪舵角制御装置と該制御装置に必要な信号を送るセンサから構成された操舵制御装に関する。

背景技術として、特許文献１に示す技術があるのでこれの概要を説明する。
ドライバーが操作するステアリングホイールと機械的に分離された転舵可能な前輪を制御する制御装置については一般にステアバイワイヤの名称で呼ばれており、本出願においてもこの名称を踏襲する．ステアバイワイヤの制御では、前輪は±３０°程度の操舵角範囲を有しており、ドライバーの操舵と独立してこのような大舵角の制御域をフルに活用して合理的に制御する手法を見出すことは容易ではなかったが、例えば特許文献１に示す技術により可能になってきた。
この手法の理論的な解説と、比較のために用いたモデル予測制御を使った操舵制御についての理論的な解説は非特許文献１に詳しく記載している。

図１は、ステアバイワイヤの構成図である。図示の通り、ステアバイワイヤは、前輪舵角制御機構１０と、ステアリングコントローラ５１と、状態センサ２０と、制御部３０とから主に構成される。状態センサ２０の出力が制御部３０に接続されている。
また、図示のように、ステアバイワイヤの操作器側は、ステアリングホイール４１と、ステアリングホイール４１に連結されたステアリングシャフト４２と、ステアリングシャフト４２に設けられた操舵反力発生機構４３と、操舵反力発生機構４３のトルクコントローラ４４とからなる。
また、ステアバイワイヤの前輪制御装置は、前輪舵角制御機構１０に制御信号を与えるステアリングコントローラ５１と、前輪舵角制御機構１０に接続された前輪タイヤ５２とからなる。
状態センサ２０は、例えば、ステアリングシャフト４２に生ずるトルクを検出する操舵トルクセンサ、ステアリングホイール４１の操舵角を検出する操舵角センサ、車両の横加速度センサ、車輪速度センサ、車両に生ずるヨーレートを検出するヨーレートセンサ等からなる。状態センサ２０は、現状態量をセンサにより実測するものだけでなく、他のセンサから演算等により推定するものも含まれる。
制御部３０には、状態センサ２０の出力が入力される。また、制御部３０の出力が、ステアリングコントローラ５１に入力される。また、制御部３０の出力は、操舵反力発生機構４３のトルクコントローラ４４にも入力される。制御部３０は、入力される状態センサ２０の出力に応じて、最適な前輪舵角となるように制御する制御則に基づいて制御するものである。

図２は、制御則導出のための３自由度車両運動モデルであり、ロールとピッチを無視した車体の３自由度の車両モデルである。図示例の車両モデルはローリング運動、ピッチ運動は考慮していないが、車両の重心に働く加速度により各輪に働く荷重移動は考慮してある。また、図示中、ｍは車両質量、Ｉ_ｚは車両のヨー慣性モーメント、ｌ_ｆは車両重心と前輪の距離、ｌ_ｒは車両重心と後輪の距離、ｌ_ｔはトレッド、Ｖ_ｘは車両の前後速度、Ｖ_ｙは車両の横滑り速度、ｒはヨーレート、βは重心点横滑り角、δは前輪舵角、Ｖは車速をそれぞれ表している。
舵角を制御することで発生する横力Ｕは次式で表される。Ｕの導出過程は特許文献１に示しているためここでは記載を省略する。
ここで、Ｍは各輪タイヤで生ずるヨーモーメントの合計値である。また、Ｐは各輪タイヤの散逸パワーＰ（走行中のタイヤのスリップにより発生する単位時間当たりの熱損失）の総和であるが、これのｒによる偏微分項は効果が小さいので省略してもよい。またｒ_ｄは目標ヨーレートあるいは参照ヨーレート、Ｒ_ｌ、Ｒ_ａ、Ｒ_ｂは重み係数である。
なお、この入力は横力なので、舵角入力に換算するために、その時刻でのコーナリングスティフネスＫ_ｆで除算している。また、横力やヨーモーメントのヨーレートによる偏微分を求めるために、Ｍａｇｉｃ Ｆｏｒｍｕｌａと呼ばれるタイヤ特性式をもちいて、タイヤが発生する横力を以下のように近似する。
但し、Ｄ_ｉ＝ａ_１Ｗ_ｉ−ａ_２Ｗ_ｉ ^２、Ｗｉはタイヤ荷重、ａ_１，ａ_２，Ｂ，Ｃはタイヤ特性から定まる定数である。
ここで、目標状態量の決定について説明する。目標状態量及び状態センサにより計測される車両の現状態量がヨーレートの場合、目標ヨーレートｒ_ｄは定常円旋回時の定常ヨーレート相当量を用いるのが妥当である。この場合、タイヤ特性の非線形性を考慮した値にすることが望ましいため、以下のようにＭａｇｉｃ Ｆｏｒｍｕｌａを流用して記述する。
但し、ここで，Ｃ_ｄ，Ｂ_ｄ，Ｄ_ｄは車両の旋回特性から定まる定数である。

以上の従来技術の制御則演算のブロック図を図３に示す。ここで、タイヤ散逸パワーＰの影響は小さいのでＵの計算から除いている。またδはドライバーの操作に比例した前輪舵角指令値であり、これに制御則演算の結果であるδ_ｃが加算されて最終的な前輪舵角指令値となる。

以下、従来技術のステアバイワイヤを、車体６自由度、車輪４自由度の車両運動モデルに適用して、緊急回避レーンチェンジのシミュレーション結果について説明する。一例として、軽量１ボックス車（容積はそのままで重量を低減させた仕様であり、相対的にヨー慣性モーメントが大きく急操舵で横すべり角が大きくなりやすい）の車両諸元を基準車とし、従来技術である特許文献１のステアバイワイヤによる制御と、従来の非線形モデル予測制御及び制御無しの場合の効果について比較した。ここで、モデル予測制御とは車両運動のような非線形システムの制御で一般的に用いられる手法であり、ここでは非特許文献１の３．２節で解説した方法による計算結果を載せている。
緊急回避レーンチェンジは、高速走行時に前方の障害物を発見したドライバーが、急激なハンドル操作によって障害物を回避するという状況を想定したものである。シミュレーション条件としては以下の通りである。即ち、車速１００ｋｍ／ｈの直進状態から振幅１２０°の正弦波状のステアリングホイール操舵を２秒間行い、再び直進状態に戻すものとする。また、アクセルやブレーキの操作は行わないものとする。このときのシミュレーション結果のグラフを図４、図５に示す。

図４は横変位、図５は前輪舵角の各時間変化のシミュレーション結果を表している。図中、実線が特許文献１の制御、一点鎖線がモデル予測制御、細線が制御無しの場合の変化をそれぞれ示している。
これらのシミュレーション結果より、制御なしに比べモデル予測制御は回避後のはみだしがなく安定しているが、回避性能の目安となる１秒の時の横変位を比較すると、モデル予測制御に比べ特許文献１の制御は緊急回避性能が高いことが分かる。

特許文献１の制御において回避性能が向上する要因は、図５に示されるような創発ともいえる操舵が可能となることによる。まず回頭時の大きな操舵によりヨーレートや横変位を増して回避性能を高め、次に切り戻し操舵（これが創発的操舵）により横すべり速度を抑えて安定性を高めている。

特開２０１１−１５２８１２号公報

福島直人、萩原一郎著「エネルギー最適制御理論―最適制御理論の新しい枠組みとその発展性について―」応用数理Ｖｏ２１、 Ｎｏ．４、２０１１年、ｐ．２５９−２７５

特許文献１に示す技術により、ドライバーの意図を考慮しながら自動車の前輪の舵角を最適制御することができるので車両の運動性能は飛躍的に向上する。しかし前輪舵角の制御範囲は±３０°程度と大きいために走行条件によっては前輪舵角制御が不安定になり振動が発生するという問題も生ずる。
従って、特許文献１の制御において、あらゆる走行条件に対して安定した舵角制御が行えるように制御方法の改善が望まれていた。
本発明は、かかる実情に鑑み、前輪舵角の制御範囲が大きい場合であっても、あらゆる走行条件に対して操舵範囲をフル活用し車両運動の目標性能を達成できる操舵制御装置を提供しようとするものである。

本考案は、前輪横すべり角を計測もしくは推定し前輪横すべり角の絶対値が設定値以上に大きくならないように前輪舵角を切り戻す制御を前輪舵角の制御に追加することで、前輪舵角の振動問題点を解決する。

本考案のハードウエアの構成は従来技術の図１と同じであり、ドライバーが直接操作する操作器とその操作器と機械的に分離された転舵可能な前輪と該前輪を操舵するアクチュエータとそのアクチュエータを制御する制御装置とその制御装置に必要な信号を送るセンサから構成され、センサは少なくとも操作器センサ、車両横加速度センサ、ヨーレートセンサ、車輪速センサを具備するものである。
車両前後速度は各車輪速センサから推定し、車両横速度は、操作器センサ、ヨーレートセンサ、車両横加速度センサ、車輪速センサから推定している。

図６に本考案の制御ブロック図を示す．図中の破線で囲まれた制御ブロックが本考案部分である。ドライバーの操作量をθ、ステアリングギヤ比相当の定数をＮ、ドライバーの操作による前輪舵角相当量をδ＝θ／Ｎとし、制御装置は各センサ信号から車両の運動を制御するための制御指令値δ_ａを計算し、次に前輪横すべり角の推定値あるいは計測値β_ｆを用いて最終的な制御指令値δ_ｃおよび最終的な舵角指令値δ^＊を次式で計算することを特徴とする操舵制御装置。
但し、関数Ｓは（）内の変数がプラス側の設定値β_ｓを超えたら飽和して一定値β_ｓを保ち、マイナス側の設定値−β_ｓを超えた場合も飽和し一定値−β_ｓを保ち、（）内の変数がこの中間値をとる場合は（）内の変数値を出力する飽和関数である。β_ｆ＝（β_１＋β_２）／２は左右の前輪横すべり角の推定値あるいは計測値の左右平均値である。
ここで、δ_ａの計算法は、特許文献１では数式１のＵを計算しこのＵを舵角入力に換算するためにその時刻でのコーナリングスティフネスＫ_ｆで除算しこれをδ_ａとしているので、本発明のδ_ａの計算法もこれを踏襲する。

本発明の操舵制御装置は、前輪舵角の制御範囲が大きい場合であっても、あらゆる走行条件に対して制御が不安定にならず操舵範囲をフル活用し車両運動の目標性能を達成できる。
車体６自由度，車輪４自由度の車両運動モデルとブラシモデルタイヤを用いて，代表的な運動性能評価項目である加速円旋回試験のシミュレーションを行った。これは半径３０ｍ微低速円旋回から操舵角を固定した状態で徐々に加速し約３０秒で横加速度が限界に達するように直線的に駆動トルクを増して加速していく試験である。
図７に車両軌跡を示す。制御なしはベース車両であり前後駆動力配分が５０：５０の４ＷＤ乗用車とした．図中の特許文献１の制御、本考案の制御ともに前記のベース車両仕様を用いている。
本考案の効果を図８〜１４に示す。

図８は、横軸に求心加速度（ほぼ横加速度と同じ）をとり、縦軸に旋回半径比をとった場合について制御なしと特許文献１の制御を比較したものである。制御なしにくらべて特許文献１の制御は求心加速度の最大値が大きくなり、旋回半径比の変化も小さくて旋回性能は改善しているが、旋回限界になると求心加速度が振動的になる。

図９は、横軸に求心加速度をとり、縦軸に旋回半径比をとった場合について制御なしと本考案の制御を比較したものである。図８と比べると、本考案の制御では旋回性能が改善するだけでなく全く振動が生じていないことがわかる。

図１０を見ると、この振動の原因が前輪舵角であることが分かる。２７秒以降の旋回限界域において特許文献１の制御では前輪舵角振動が生じているが、本考案の制御では全く振動が生じていない。従って、特許文献１の制御が旋回限界に近づくと不安定化し自励振動をはじめることがわかる。なお縦軸のδはドライバーの操作による前輪舵角分であり、この場合はドライバー操作は固定なのでδも一定であり、振動しているのは制御指令値のδ_ｃである。

図１１は、特許文献１の制御と本考案の制御についてのヨーレートの比較である。この図では分かりづらいが、特許文献１の制御ではやはり前輪舵角の振動の影響を受けてヨーレートも振動的になっているが、本考案の制御では全く振動が生じていない。

この振動を詳細に分析するため、特許文献１の制御について３０秒付近のデータを拡大してみた。図１２は前輪舵角について、図１３はヨーレートについて拡大したものであり、ヨーレートについては目標ヨーレートについても載せた。
特許文献１の制御では実ヨーレートｒをフィードバックしてδ_ｃを切り増しすることが行われている。図１２の舵角波形と図１３のヨーレートｒについて位相差を見ると明らかに１８０°のズレがあり、振動の原因になっていることがわかる。

図１２から明らかなように制御による前輪舵角振動は０．２〜１．５ラジアン（１１°〜８６°）と大きい。実際には舵角にはステアリングラックピニオン機構などによるストッパが装着されているため±３０°程度に抑えられヨーレートや横加速度の振動は図示より低減されることにはなる。しかしそれでも許容レベルからはほど遠い。

本考案の制御では全く振動が生じていない理由は、図６の破線で囲んだブロックに示した制御による。このブロックの作用は、β_ｆ＋δ_ａが過大になると前輪舵角を切り戻す方向に制御されて前輪横すべり角を設定値β_ｓ（１０°程度）以下に抑えて不安定化を抑えることにある。
図１４はこの作用の説明図である。図の（ａ）はβ_ｆ＋δ_ａが設定値β_ｓより小さい場合、図の（ｂ）はβ_ｆ＋δ_ａが設定値β_ｓより大きいい場合である。（ａ）の場合は制御指令値δ_ａがドライバーの指令値δに加算されるが、β_ｆ＋δ_ａが設定値β_ｓより大きくなると（ｂ）の状態になり制御指令値δ_ａが増加してもその増分は飽和関数により消えてしまい結果的に制御ループゲインを低下させて安定化させる作用を有する。
図１５は上記制御により前輪横すべり角が安定する様子を示している。

実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。
本発明のハードウエア構成は従来技術の図１と同じである。
図６は制御ブロック図全体である。図中の破線で囲まれた部分が本考案の制御ブロック図である。前輪横すべり角信号を用いて前輪横すべり角の絶対値が設定値以上に大きくならないように数式１の飽和関数を用いて前輪舵角を切り戻す制御を前輪舵角の制御に追加している。これにより前輪舵角の振動問題点を解決している。

図１６に第二の実施例の制御ブロック線図を示す。飽和関数Ｓの形を飽和時の水平直線と非飽和時の傾斜直線をなめらかな曲線でつないだ形としたことにより、切り戻し時の制御がなめらかになり車両挙動もスムーズになりドライバーの運転フィールが改善される効果がある。

図１７に第三の実施例の構成を示す。ドライバーの操作器をステアリングホイールからジョイスティック型に変更したものである。
ステアバイワイヤの操作器側は、操作レバー４６と操作反力発生機構および操作レバー角度センサを内蔵した操作器本体４７と、操作器本体４７のトルクコントローラ４４とからなる。
また、ステアバイワイヤの前輪制御装置側は、実施例１と同じである。
これによりドライバーの操作が簡便になり運転時の負担・疲労が低減される効果がある。
図１８は第三の実施例の制御ブロック線図である。ステアリングホイール角度信号を操作レバーの角度信号に変更したものである

本発明のステアバイワイヤにより、あらゆる走行条件に対してドライバーの意図通りで安定した舵角制御を行うことができる。この技術を一般市販車両に適用することで、商品性の向上と購入者の満足度を高めることができる。

図１は、従来のステアバイワイヤによる操舵制御装置の構成図である。 図２は、従来のステアバイワイヤ制御則を求めるための３自由度車両運動モデルである。 図３は、従来のステアバイワイヤ制御のブロック線図である。 図４は、従来のステアバイワイヤの緊急回避シミュレーションにおける横変位のグラフである。 図５は、従来のステアバイワイヤの緊急回避シミュレーションにおける前輪舵角のグラフである。 図６は、本考案のステアバイワイヤ制御のブロック線図である。 図７は、加速円旋回試験シミュレーションにおける車両軌跡のグラフである。 図８は、加速円旋回試験シミュレーションにおける旋回半径比と求心加速度の関係のグラフである（特許文献１の制御）。 図９は、加速円旋回試験シミュレーションにおける旋回半径比と求心加速度の関係のグラフである（本考案の制御）。 図１０は、加速円旋回試験シミュレーションにおける前輪舵角のグラフである。 図１１は、加速円旋回試験シミュレーションにおけるヨーレートのグラフである。 図１２は、加速円旋回試験シミュレーションにおける前輪舵角の拡大図である。 図１３は、加速円旋回試験シミュレーションにおけるヨーレートの拡大図である。 図１４は本考案の作動説明図である。 図１５は、加速円旋回試験シミュレーションにおける前輪横すべり角のグラフである。 図１６は、本考案のステアバイワイヤの第二の実施例における制御ブロック線図である。飽和関数Ｓの形を飽和時の水平直線と非飽和時の傾斜直線をなめらかな曲線でつないだ形にしている。 図１７は、本考案のステアバイワイヤの第三の実施例の構成図である。 図１８は、本考案のステアバイワイヤの第三の実施例における制御ブロック線図である。センサ信号の操舵角を操舵レバー角に変更している。

１０ 前輪舵角制御機構
２０ 状態センサ
３０ 制御部
４１ ステアリングホイール
４２ ステアリングシャフト
４３ 操舵反力発生機構
４４ トルクコントローラ
４６ 操作レバー
４７ ジョイスティック型操作器本体
５１ ステアリングコントローラ
５２ タイヤ

Claims (2)

1. ドライバーが操作する前輪舵角操作器と該操作器と機械的に分離された前輪舵角制御装置と該制御装置に必要な信号を送るセンサから構成された操舵制御装置にあって、ドライバーの操作量をθ、ステアリングギヤ比相当の定数をＮ、ドライバーの操作による前輪舵角相当量をδ＝θ／Ｎとし、該制御装置は各センサ信号を用いて車両運動を制御するための制御指令値δ_ａを計算し、次に前輪横すべり角の推定値あるいは計測値β_ｆを用いて最終的な制御指令値δ_ｃおよび最終的な舵角指令値δ^＊を次式で計算することを特徴とする操舵制御装置．
   但し、関数Ｓは（）内の変数がプラス側の設定値β_ｓを超えたら飽和して一定値β_ｓを保ち、マイナス側の設定値−β_ｓを超えた場合も飽和し一定値−β_ｓを保ち、（）内の変数がこの中間値をとる場合は（）内の変数値を出力する飽和関数である。
   
2. 請求項１において、操舵制御装置は次式によりδ_ａを計算することを特徴とする操舵制御装置。
   但し、αは定数、Ｍは各輪タイヤで生ずるヨーモーメントの計算値、ｒはヨーレートの計測値、ｒ_ｄは目標ヨーレート、Ｋ_ｆはコーナリングスティフネスであり、記号∂は偏微分を表わす。