JP2021146917A - パワーステアリング制御装置、パワーステアリングの制御方法、プログラム、および自動操舵システム - Google Patents

Abstract

【課題】ステアリングホイールに非線形な力が作用しても、運転手がステアリングホイールに付与する入力トルクを高速かつ正確に推定できるようにする。【解決手段】操舵トルクを取得するトルク取得部と、操舵角を取得する操舵角取得部と、非線形特性に対応する非線形項を含むステアリングホイールの運動方程式を、離散化した時刻毎に線形な状態方程式に変換する方程式変換部と、変換された状態方程式に基づき、観測ノイズおよびシステムノイズに基づくイノベーションゲインを含み、操舵トルクおよび操舵角を適用した方程式を算出する方程式算出部と、算出された方程式を解くことにより、ステアリングホイールに加わったドライバ入力トルクの推定値を算出する推定値算出部と、算出されたドライバ入力トルクの推定値に基づいて、ハンズオン状態とハンズオフ状態とを検知する検知部とを備える、パワーステアリング制御装置。【選択図】図２

Description

本発明は、パワーステアリング制御装置、パワーステアリングの制御方法、プログラム、および自動操舵システムに関する。

従来、パワーステアリング装置および自動操舵システムが搭載されている車両が知られている。自動操舵システムにおいては、運転手がハンドルを操作しているハンズオン状態であるか否かを判定することが知られている（例えば、特許文献１を参照）。また、パワーステアリング装置においては、運転手が操作している場合の入力トルクを推定する装置等が知られている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２０１７−１１４３２４号公報 特開２００２−１５４４５０号公報

自動操舵システムは、運転手がステアリングホイールに力を付与した場合に、自動操舵を手動操舵に適切に切り換えられることが望ましく、より正確に運転手の入力トルクを推定できることが望ましい。しかしながら、ステアリングホイールに作用する力には、非線形な力が含まれることがある。このような非線形な力は、運動方程式で解析することが困難であり、運転手の入力トルクを推定できなくなってしまうことがあった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、ステアリングホイールに非線形な力が作用しても、運転手がステアリングホイールに付与する入力トルクを正確に推定できるようにすることを目的とする。

本発明の第１の態様においては、車両のステアリングホイールにかかる操舵トルクを前記車両のパワーステアリングから取得するトルク取得部と、前記ステアリングホイールの操舵角を前記パワーステアリングから取得する操舵角取得部と、非線形特性に対応する非線形項を含む前記ステアリングホイールの運動方程式を、離散化した時刻毎に線形な状態方程式に変換する方程式変換部と、変換された状態方程式に基づき、観測ノイズおよびシステムノイズに基づくイノベーションゲインを含み、前記操舵トルクおよび前記操舵角を適用した方程式を算出する方程式算出部と、算出された前記方程式を解くことにより、前記ステアリングホイールに加わったドライバ入力トルクの推定値を算出する推定値算出部と、算出された前記ドライバ入力トルクの前記推定値に基づいて、ハンズオン状態とハンズオフ状態とを検知する検知部とを備える、パワーステアリング制御装置を提供する。

前記パワーステアリング制御装置は、算出された前記ドライバ入力トルクの前記推定値に基づいて、フィードバック信号を生成するフィードバック部と、前記フィードバック信号と前記ステアリングホイールの目標操舵角とに基づき、前記パワーステアリングのモータを制御する制御部とを更に備えてもよい。

前記フィードバック部は、前記検知部の検知結果に対応する前記フィードバック信号を生成する信号生成部を有してもよい。

前記フィードバック信号は、前記目標操舵角の修正値、前記パワーステアリングの自動操舵の停止信号、および前記パワーステアリングの自動操舵の開始信号を含んでもよい。

前記推定値算出部は、前記操舵トルクおよび前記操舵角のサンプリング時間毎に前記方程式算出部が算出した前記方程式を離散化し、ルンゲクッタ法を用いて前記ドライバ入力トルクの前記推定値を算出してもよい。

前記方程式変換部は、離散化した時刻毎に、状態量の近傍においてオイラー法を用いて線形な状態方程式に変換してもよい。

本発明の第２の態様においては、車両のステアリングホイールにかかる操舵トルクを前記車両のパワーステアリングから取得するステップと、前記ステアリングホイールの操舵角を前記パワーステアリングから取得するステップと、非線形特性に対応する非線形項を含む前記ステアリングホイールの運動方程式を、離散化した時刻毎に線形な状態方程式に変換するステップと、変換された状態方程式に基づき、観測ノイズおよびシステムノイズに基づくイノベーションゲインを含み、前記操舵トルクおよび前記操舵角を適用した方程式を算出するステップと、前記方程式を解くことにより、前記ステアリングホイールに加わったドライバ入力トルクの推定値を算出するステップと、算出された前記ドライバ入力トルクの前記推定値に基づいて、ハンズオン状態とハンズオフ状態とを検知するステップとを有する、コンピュータが実行する前記パワーステアリングの制御方法を提供する。

本発明の第３の態様においては、コンピュータにより実行されると、前記コンピュータを第１の態様の前記パワーステアリング制御装置として機能させる、プログラムを提供する。

本発明の第４の態様においては、車両のステアリングホイールと、前記ステアリングホイールにかかる操舵トルクを検出する第１検出器と、前記ステアリングホイールの操舵角を検出する第２検出器とを有し、前記車両に搭載されているパワーステアリングと、前記パワーステアリングを制御する、第１の態様の前記パワーステアリング制御装置とを備える、自動操舵システムを提供する。

本発明によれば、ステアリングホイールに非線形な力が作用しても、運転手がステアリングホイールに付与する入力トルクを正確に推定できるという効果を奏する。

本実施形態に係る自動操舵システム１０の構成例を示す。 本実施形態に係るパワーステアリング制御装置１００の構成例を示す。 本実施形態に係るパワーステアリング制御装置１００の動作フローの一例を示す。

＜自動操舵システム１０の構成例＞
図１は、本実施形態に係る自動操舵システム１０の構成例を示す。自動操舵システム１０は、例えば、乗用車、トラック等の車両に搭載されるシステムである。自動操舵システム１０は、車両のパワーステアリング２０と、パワーステアリング制御装置１００とを備える。

パワーステアリング２０は、運転手がステアリングホイールをスムーズに操舵できるように、ステアリングホイールの回転動作を補助する。これにより、運転手は、より小さい入力トルクでステアリングホイールを操舵することができる。パワーステアリング２０は、ステアリングホイール２１、モータ２２、ウォーム２３、ウォームホイール２４、第１トーションバー２５、第２トーションバー２６、アクチュエータ２７、車輪２８、第１検出器３１、および第２検出器３２を有する。

運転手は、環状のステアリングホイール２１を操作することにより車両の進行方向を調整する。ここで、ステアリングホイール２１の角度を操舵角とする。また、運転手がステアリングホイール２１を操作している状態をハンズオン状態とし、ステアリングホイール２１を操作していない状態をハンズオフ状態とする。

モータ２２は、入力する駆動信号に応じてステアリングホイール２１を駆動する。駆動信号は、例えば、モータ２２に流す電流値を指定する信号である。モータ２２は、ウォーム２３を回転させ、ウォーム２３とかみ合うウォームホイール２４を回転させる。ウォームホイール２４の軸の一方の端部は、第１トーションバー２５を介してステアリングホイール２１に接続されている。

ウォームホイール２４の軸の一方の端部とは反対側の端部は、第２トーションバー２６を介してアクチュエータ２７に接続されている。アクチュエータ２７は、ウォームホイール２４から伝わる力に応じて、車輪２８の角度を変更する。アクチュエータ２７は、一例として、油圧アクチュエータである。

第１検出器３１は、ステアリングホイール２１にかかる操舵トルクを検出する。第１検出器３１は、例えば、第１トーションバー２５に設けられており、第１トーションバー２５の復元力を操舵トルクとして検出する。本実施形態において、第１検出器３１が検出する操舵トルクをＴ_ｈとする。

第２検出器３２は、ステアリングホイール２１の操舵角を検出する。第２検出器３２は、例えば、ステアリングホイール２１に設けられており、車両を直進させるステアリングホイール２１の操舵角を基準とした角度を操舵角として検出する。一例として、基準の角度は０度である。これに代えて、第２検出器３２は、モータ２２に設けられていてもよい。この場合、第２検出器３２は、例えば、モータ２２がウォーム２３を回転させている角度を検出し、検出された角度に対応するステアリングホイール２１の角度を操舵角として出力する。本実施形態において、第２検出器３２が検出する操舵角をθ_ｈとする。

パワーステアリング制御装置１００は、以上のようなパワーステアリング２０を制御する。パワーステアリング制御装置１００は、入力する目標操舵角と、パワーステアリング２０から取得する操舵トルクおよび操舵角とに基づき、モータ２２を駆動させるための駆動信号をモータ２２に供給する。パワーステアリング制御装置１００は、例えば、車両に搭載されているＥＣＵ（Engine Control Unit）等から目標操舵角の情報を取得する。以上のようなパワーステアリング制御装置１００について、次に説明する。

＜パワーステアリング制御装置１００の構成例＞
図２は、本実施形態に係るパワーステアリング制御装置１００の構成例を示す。パワーステアリング制御装置１００は、運転手がハンズオン状態において、運転手によるステアリングホイール２１の操作を補助するようにパワーステアリング２０を制御する。また、パワーステアリング制御装置１００は、運転手がハンズオフ状態において、ステアリングホイール２１の操舵角が入力する目標操舵角となるようにパワーステアリング２０を制御する。パワーステアリング制御装置１００は、トルク取得部１１０と、操舵角取得部１２０と、記憶部１３０と、方程式算出部１４０と、推定値算出部１５０と、フィードバック部１６０と、制御部１７０と、方程式変換部１８０とを備える。

トルク取得部１１０は、車両のステアリングホイール２１にかかる操舵トルクを車両のパワーステアリング２０から取得する。トルク取得部１１０は、例えば、第１検出器３１から操舵トルクを取得する。また、トルク取得部１１０は、第１検出器３１が検出してデータベース等に記憶した操舵トルクを、当該データベースから取得してもよい。この場合、トルク取得部１１０は、ネットワークを介して操舵トルクの情報を取得してもよい。

操舵角取得部１２０は、ステアリングホイール２１の操舵角をパワーステアリング２０から取得する。操舵角取得部１２０は、例えば、第２検出器３２から操舵角を取得する。また、操舵角取得部１２０は、第２検出器３２が検出してデータベース等に記憶した操舵角を、当該データベースから取得してもよい。この場合、操舵角取得部１２０は、ネットワークを介して操舵角の情報を取得してもよい。

記憶部１３０は、取得した操舵トルクおよび操舵角の情報を記憶する。また、記憶部１３０は、パワーステアリング制御装置１００が動作の過程で生成する（または利用する）中間データ、算出結果、閾値、およびパラメータ等を記憶する。記憶部１３０は、例えば、操舵トルクおよび操舵角の値を、取得した時刻に対応付けて記憶する。また、記憶部１３０は、目標操舵角に対応付けて操舵トルクおよび操舵角の値を記憶してもよい。記憶部１３０は、パワーステアリング制御装置１００内の各部の要求に応じて、記憶したデータを要求元に供給してもよい。

記憶部１３０は、コンピュータがパワーステアリング制御装置１００として動作する場合、パワーステアリング制御装置１００として機能するＯＳ（Operating System）、およびプログラムの情報を格納してもよい。また、記憶部１３０は、当該プログラムの実行時に参照されるデータベースを含む種々の情報を格納してもよい。例えば、コンピュータは、記憶部１３０に記憶されたプログラムを実行することによって、パワーステアリング制御装置１００として機能する。

記憶部１３０は、例えば、コンピュータ等のＢＩＯＳ（Basic Input Output System）等を格納するＲＯＭ（Read Only Memory）、および作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。また、記憶部１３０は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）および／またはＳＳＤ（Solid State Drive）等の大容量記憶装置を含んでもよい。また、コンピュータは、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等を更に備えてもよい。

方程式算出部１４０は、ステアリングホイール２１の運動方程式から変換された状態方程式に操舵トルクおよび操舵角を適用した微分方程式を算出する。ステアリングホイール２１の運動方程式は、一例として、次式のように示される。

ここで、ドライバ入力トルクをＴ_ｄ、時間をｔとした。また、（数１）式の左辺第１項は慣性項であり、Ｉ_ｈを慣性係数とした。（数１）式の左辺第２項は粘性項であり、Ｃ_ｈを粘性係数とした。（数１）式の左辺には、更に重力項等が加わってもよい。また、Ｔ_ｈの符号が正負反転する場合がある。

（数１）式に示すような運動方程式は、次式で示す状態方程式に変換することができる。ここで、Ｘ^Ｔは、Ｘの転置行列である。ただし、ドライバ入力トルクは定常値と仮定する。

なお、（数２）式において、ｗは観測ノイズを示し、ｖはシステムノイズを示す。観測ノイズおよびシステムノイズは、例えば、白色Ｓ／Ｎ等の時変の値として仮定される。もしくはイノベーションゲインＭ導出の設計要素として一定値としてもかまわない。

（数２）式に示す状態方程式は、観測ノイズおよびシステムノイズに基づくイノベーションゲインＭを含む状態方程式として次式のように表現できる。

方程式算出部１４０は、（数３）式のようにイノベーションゲインＭを含む状態方程式に、車両を運転中に観測された操舵トルクおよび操舵角を代入した方程式を算出する。方程式算出部１４０は、例えば、次式のリカッチ微分方程式を用いてイノベーションゲインＭを算出する。

ここで、Ｑは観測ノイズＷの共分散行列であり、Ｒはシステムノイズｖの共分散行列である。また、Ｐは誤差の共分散行列である。Ｐが収束するのであれば、（Ａ，Ｄ）が可制御、（Ａ，Ｃ）が可観測、Ｗおよびｖが正定となり、方程式算出部１４０は、次式を用いてＰを算出することができ、結果として、次式のようにイノベーションゲインＭを算出できる。本実施の形態ではＱとＲをイノベーションゲインＭ導出の設計要素として、あらかじめ設計者が調整するパラメータとして扱う。

そして、方程式算出部１４０は、算出したイノベーションゲインＭを（数３）式に代入して、状態ｘに対する方程式を算出する。

推定値算出部１５０は、算出された方程式を解くことにより、ステアリングホイール２１に加わったドライバ入力トルクの推定値を算出する。推定値算出部１５０は、例えば、オイラー法等の数値計算により、微分方程式の解を算出する。この場合、推定値算出部１５０は、操舵トルクおよび操舵角のサンプリング時間毎に微分方程式を離散化し、サンプリング時間毎にドライバ入力トルクの推定値を算出することが望ましい。推定値算出部１５０は、状態ｘの解に含まれているドライバ入力トルクＴ_ｄの値を、ドライバ入力トルクの推定値として出力する。

フィードバック部１６０は、算出されたドライバ入力トルクの推定値に基づいて、フィードバック信号を生成する。フィードバック部１６０は、例えば、ドライバがハンズオン状態か否かを検出し、検出結果に応じたフィードバック信号を生成する。フィードバック部１６０は、検知部１６１と、信号生成部１６２とを有する。

検知部１６１は、算出されたドライバ入力トルクの推定値に基づいて、ハンズオン状態とハンズオフ状態とを検知する。検知部１６１は、例えば、ドライバ入力トルクの推定値が閾値を超えたことに応じて、車両のドライバがステアリングホイール２１を操作しているハンズオン状態であることを検知する。また、検知部１６１は、ドライバ入力トルクの推定値が閾値を超えた状態が予め定められた時間以上継続したことに応じて、ドライバがハンズオン状態であることを検知してもよい。なお、図２において、フィードバック部１６０が検知部１６１を有する例を示したが、フィードバック部１６０と検知部１６１とはパワーステアリング制御装置１００において独立に設けられていてもよい。

信号生成部１６２は、検知部１６１の検知結果に対応するフィードバック信号を生成する。信号生成部１６２は、例えば、検知部１６１によってドライバのハンズオン状態が検知されたことに応じて、フィードバック信号を生成する。信号生成部１６２は、例えば、ドライバ入力トルクの推定値に応じたフィードバック信号を生成する。また、信号生成部１６２は、検知部１６１がハンズオン状態からハンズオフ状態への切り換え、またはハンズオフ状態からハンズオン状態への切り換えを検知したことに応じて、フィードバック信号を生成してもよい。フィードバック信号は、例えば、目標操舵角の修正値、パワーステアリング２０の自動操舵の停止信号、およびパワーステアリング２０の自動操舵の開始信号を含む。

制御部１７０は、フィードバック信号とステアリングホイール２１の目標操舵角とに基づき、パワーステアリング２０のモータ２２を制御する。制御部１７０は、例えば、入力する目標操舵角に対応する駆動信号を生成してモータ２２に供給する。制御部１７０には、パワーステアリング２０から取得した操舵トルクおよび操舵角の値がフィードバックされることが望ましい。この場合、制御部１７０は、目標操舵角、操舵トルク、および操舵角に基づいて、モータ２２を駆動する駆動信号を生成する。本実施形態において、このような制御部１７０の制御動作を自動操舵とする。

また、制御部１７０は、フィードバック信号に基づき、このような自動操舵を開始、継続、または停止する。制御部１７０は、自動操舵を停止した場合、フィードバック信号に基づいて目標操舵角を修正する。この場合、制御部１７０は、修正された目標操舵角に対応する駆動信号を生成してモータ２２に供給する。制御部１７０は、修正された目標操舵角と、フィードバックされた操舵トルクおよび操舵角とに基づいて、モータ２２を駆動する駆動信号を生成することが望ましい。本実施形態において、このような制御部１７０の制御動作を手動操舵とする。

＜非線形なトルクが加わった場合のドライバ入力トルクの推定例＞
以上の本実施形態に係るパワーステアリング制御装置１００は、後述するように、運転手がステアリングホイールに付与した力を推定し、推定結果に基づいて、自動操舵および手動操舵のいずれかに切り換えることができる。パワーステアリング制御装置１００は、（数１）式のように、ステアリングホイール２１に作用する力を線形な力とした運動方程式を用いている。ここで、重力トルクＴ_ｇ、摩擦トルクＴ_ｆ、横加速度によるトルクＴ_ａｇ等の力が無視できない大きさでステアリングホイール２１に作用した場合、（数１）式のステアリングホイールの運動方程式は、次式で示される。

しかしながら、重力、摩擦等の力は、非線形な特性を有する場合がある。そして、ステアリングホイール２１に無視できない大きさの非線形な特性のトルクが加わると、運動方程式に基づいてドライバ入力トルクを算出することができなくなってしまうことがある。

そこで、本実施形態に係るパワーステアリング制御装置１００は、非線形な特性を有するトルクがステアリングホイール２１に加わっても、非線形な項を含む運動方程式を線形な運動方程式に変換するための機能を有する。このような機能を実行すべく、パワーステアリング制御装置１００には、方程式変換部１８０が設けられている。

方程式変換部１８０は、非線形特性に対応する非線形項を含むステアリングホイールの運動方程式を、離散化した時刻毎に線形な状態方程式に変換する。例えば、（数１）式から（数２）式の状態方程式に変換したように、（数６）式の運動方程式も非線形な項を有する状態方程式に変換できる。変換された状態方程式を、例えば以下のように表わす。

そして、（数７）式の状態方程式は、例えば、操舵トルクおよび操舵角のサンプリング時間毎に、状態量ｘの近傍で次式のように線形化できる。

方程式変換部１８０は、ステアリングホイール２１の運動方程式から変換された（数８）式の状態方程式に操舵トルクおよび操舵角を適用した微分方程式を算出する。方程式変換部１８０は、一例として、離散化した時刻毎に、状態量の近傍においてオイラー法を用いて線形な状態方程式に変換する。言い換えると、方程式変換部１８０は、（数８）式の右辺第１項および第２項の偏微分の部分に対して、オイラー法を用いて算出して、離散化した時刻毎に線形な状態方程式を算出する。

そして、（数８）式に示す状態方程式は、（数２）式に示す状態方程式と同様に、観測ノイズおよびシステムノイズに基づくイノベーションゲインＭを含む状態方程式として（数３）式のように表現できる。そこで、方程式算出部１４０は、（数８）式に示す状態方程式に基づき、観測ノイズおよびシステムノイズに基づくイノベーションゲインを含み、操舵トルクおよび操舵角を適用した方程式を算出する。

以上のように、方程式変換部１８０は、線形な運動方程式に非線形な項を加えた運動方程式から離散化した時刻毎に線形な状態方程式を算出する。ここで、例えば、ステアリングホイール２１に作用する非線形なトルクが無視できる場合、方程式変換部１８０が算出する状態方程式は、（数２）式に示す状態方程式と同様の式となる。この場合、方程式算出部１４０は、上述のように、（数２）式に示す状態方程式からイノベーションゲインを含む方程式を算出する。

このように、方程式変換部１８０は、非線形なトルクの有無にかかわらず、線形な状態方程式を算出するので、方程式算出部１４０は、対応するイノベーションゲインＭを含む状態方程式に、車両を運転中に観測された操舵トルクおよび操舵角を代入した方程式を算出できる。したがって、推定値算出部１５０は、上述のように、算出された方程式を解くことにより、ステアリングホイールに加わったドライバ入力トルクの推定値を算出できる。

＜ルンゲクッタ法による推定値の算出例＞
なお、推定値算出部１５０がオイラー法を用いて微分方程式の解を算出する例を説明したが、これに限定されることはない。推定値算出部１５０は、操舵トルクおよび操舵角のサンプリング時間毎に方程式算出部１４０が算出した方程式を離散化し、ルンゲクッタ法を用いてドライバ入力トルクの推定値を算出してもよい。

例えば、（数３）式を次式のように表す。

そして、推定値算出部１５０は、サンプリング間隔をｈとした場合に、一のサンプリングタイミングｔ_ｎにおける状態量ｘ_ｎから、次のサンプリングタイミングｔ_ｎ＋１における状態量ｘ_ｎ＋１は、次式のように算出する。

このように、推定値算出部１５０は、操舵トルクおよび操舵角のサンプリング毎に次のサンプリングタイミングにおける状態量を算出する。これにより、推定値算出部１５０は、オイラー法を用いた場合と比較して、ドライバ入力トルクの推定精度をより向上させることができる。例えば、オイラー法では考慮できずに低減してしまう高周波成分を、ルンゲクッタ法では考慮することができる。この場合、算出するドライバ入力トルクの推定値のＳ／Ｎが向上するので、例えば、雑音を低減させるフィルタを不要とすることもできる。以上の本実施形態に係るパワーステアリング制御装置１００の制御動作について、次に説明する。

＜パワーステアリング制御装置１００の動作フローの一例＞
図３は、本実施形態に係るパワーステアリング制御装置１００の動作フローの一例を示す。パワーステアリング制御装置１００は、図３のＳ３００からＳ４３０の動作を実行することにより、パワーステアリング２０を制御して、ステアリングホイール２１を適切に操舵する。

まず、制御部１７０は、目標操舵角を取得する（Ｓ３００）。制御部１７０は、例えば、ＥＣＵから供給される目標操舵角を取得する。次に、制御部１７０は、目標操舵角に応じたモータ２２の駆動信号を生成して、パワーステアリング２０に供給する（Ｓ３１０）。制御部１７０は、操舵トルクおよび操舵角のフィードバックがある場合は、目標操舵角、操舵トルク、および操舵角に基づく駆動信号を生成してもよい。

次に、トルク取得部１１０は、車両のステアリングホイール２１にかかる操舵トルクを車両のパワーステアリング２０から取得する（Ｓ３２０）。トルク取得部１１０は、パワーステアリング２０に設けられている第１検出器３１から操舵トルクの検出結果を取得する。次に、操舵角取得部１２０は、ステアリングホイール２１の操舵角をパワーステアリング２０から取得する（Ｓ３３０）。操舵角取得部１２０は、パワーステアリング２０に設けられている第２検出器３２から操舵角の検出結果を取得する。操舵トルクおよび操舵角のサンプリングタイミングおよびサンプリング時間は、略同一であることが望ましい。

次に、方程式変換部１８０は、非線形な項を含むステアリングホイール２１の運動方程式から線形な方程式に変換する（Ｓ３３１）。方程式変換部１８０は、例えば、（数８）式に示す状態方程式を算出する。次に、方程式算出部１４０は、イノベーションゲインＭを含み、変換された状態方程式に対応する状態方程式に操舵トルクおよび操舵角を適用した方程式を算出する（Ｓ３４０）。方程式算出部１４０は、上述のように、（数３）式の微分方程式を算出する。次に、推定値算出部１５０は、微分方程式の解を算出することにより、ドライバ入力トルクの推定値を算出する（Ｓ３５０）。

次に、検知部１６１は、ドライバ入力トルクの推定値に基づき、ドライバがハンズオン状態であるか否かを検知する（Ｓ３６０）。例えば、ドライバ入力トルクの推定値が第１閾値以下の場合、または、第１閾値を超えた状態が予め定められた第１時間以上継続しない場合（Ｓ３６０：Ｎｏ）、検知部１６１は、ドライバがハンズオン状態ではないと判定する。

そして、検知部１６１は、ドライバ入力トルクの推定値に応じて、ドライバがハンズオフ状態か否かを検知する（Ｓ３７０）。例えば、検知部１６１は、ドライバ入力トルクの推定値が第２閾値以下の状態を予め定められた第２時間以上継続している場合（Ｓ３７０：Ｙｅｓ）、ドライバがハンズオフ状態であることを検知する。ここで、第２閾値は、第１閾値よりも小さいか同じ値である。また、第２時間は、第１時間と同じ時間でもよく、異なる時間であってもよい。また、検知部１６１は、ドライバ入力トルクの推定値が第２閾値以下の状態を第２時間以上継続していない場合（Ｓ３７０：Ｎｏ）、前回検知したドライバの状態を保持する（Ｓ３８０）。

例えば、パワーステアリング制御装置１００が動作を開始した後に運転手がステアリングホイール２１を第２時間以上操作しなかった場合、検知部１６１は、ハンズオフ状態を検知する（Ｓ３７０：Ｙｅｓ）。また、前回のドライバの状態がハンズオフ状態であり、運転手がステアリングホイール２１を操作しなかった時間が第２時間を経過していない場合（Ｓ３７０：Ｎｏ）、検知部１６１は、ハンズオフ状態を検知する（Ｓ３８０：Ｙｅｓ）。

検知部１６１がハンズオフ状態を検知した場合、信号生成部１６２は、自動操舵のフィードバック信号を生成する（Ｓ３９０）。信号生成部１６２は、例えば、自動操舵の開始を指示する開始信号をフィードバック信号として生成する。また、信号生成部１６２は、前回のフィードバック信号が自動操舵の開始信号だった場合、自動操舵の継続を指示する継続信号をフィードバック信号として生成してもよい。信号生成部１６２は、生成したフィードバック信号を制御部１７０に供給する。

制御部１７０は、自動操舵の開始信号または継続信号を受け取ったことに応じて、パワーステアリング２０を制御してステアリングホイール２１を自動操舵する（Ｓ４００）。制御部１７０は、例えば、目標操舵角と検出された操舵角との角度偏差に基づいて、ステアリングホイール２１の操舵角を変更する変更角度を算出する。この場合、制御部１７０は、一例として、ＰＩＤ制御を実行して変更角度を算出する。そして、制御部１７０は、変更角度と操舵角とに基づいて、モータ２２がステアリングホイール２１を変更角度だけ回転させるための駆動信号を生成する。制御部１７０は、パワーステアリング２０に、生成した駆動信号を供給する。

そして、制御部１７０は、次の目標操舵角を取得して（Ｓ４１０）、Ｓ３２０に戻る。以上のように、本実施形態に係るパワーステアリング制御装置１００は、運転手がステアリングホイール２１に力を付与しない場合、Ｓ３２０からＳ４１０の動作を繰り返し、目標操舵角に応じた自動操舵を継続する。

一方、検知部１６１は、ドライバ入力トルクの推定値が第１閾値を超えている状態が第１時間以上継続した場合（Ｓ３６０：Ｙｅｓ）、ドライバのハンズオン状態を検知する。また、前回のドライバの状態がハンズオン状態であり、運転手がステアリングホイール２１を操作しなかった時間が第２時間を経過していない場合（Ｓ３７０：Ｎｏ）、検知部１６１は、ハンズオン状態を検知する（Ｓ３８０：Ｎｏ）。

検知部１６１がハンズオン状態を検知した場合、信号生成部１６２は、手動操舵のフィードバック信号を生成する（Ｓ４２０）。信号生成部１６２は、例えば、自動操舵の停止を指示する停止信号をフィードバック信号として生成する。また、信号生成部１６２は、前回のフィードバック信号が自動操舵の停止信号だった場合、手動操舵の継続を指示する継続信号をフィードバック信号として生成してもよい。

そして、信号生成部１６２は、ドライバ入力トルクの推定値に対応する目標操舵角の修正値をフィードバック信号として生成する。例えば、記憶部１３０には、ドライバ入力トルクの推定値と目標操舵角の修正値との対応テーブルが記憶されていてよく、信号生成部１６２は、このような対応テーブルを読み出して対応する目標操舵角の修正値をフィードバック信号とする。これに代えて、信号生成部１６２は、予め算出された関数等にドライバ入力トルクの推定値を代入して、目標操舵角の修正値を算出してもよい。信号生成部１６２は、生成したフィードバック信号を制御部１７０に供給する。なお、ドライバ入力トルクでなく操舵トルクの値から目標操舵角の修正値を算出してもよい。

制御部１７０は、自動操舵の停止信号または手動操舵の継続信号を受け取ったことに応じて、フィードバック信号を用いてパワーステアリング２０を制御してステアリングホイール２１を手動操舵する（Ｓ４３０）。制御部１７０は、例えば、目標操舵角を修正値だけ修正し、修正された目標操舵角と検出された操舵角との角度偏差に基づいて、ステアリングホイール２１の操舵角を変更する変更角度を算出する。そして、制御部１７０は、変更角度と操舵角とに基づいて、モータ２２がステアリングホイール２１を変更角度だけ回転させるための駆動信号を生成する。制御部１７０は、パワーステアリング２０に、生成した駆動信号を供給する。

そして、制御部１７０は、次の目標操舵角を取得して（Ｓ４１０）、Ｓ３２０に戻る。以上のように、本実施形態に係るパワーステアリング制御装置１００は、運転手がステアリングホイール２１に力を付与した場合、目標操舵角とドライバ入力トルクの推定値とに応じた手動操舵を実行する。

以上の本実施形態に係るパワーステアリング制御装置１００は、運転手のハンズオン状態およびハンズオフ状態を検出することにより、パワーステアリング２０の自動操舵および手動操舵を切り換える。ここで、パワーステアリング制御装置１００は、観測ノイズおよびシステムノイズの影響を考慮した状態方程式を用いるので、運転手がパワーステアリング２０に付与したドライバ入力トルクを精度よく推定できる。したがって、パワーステアリング制御装置１００は、運転手のハンズオン状態およびハンズオフ状態を精度よく検出することができ、パワーステアリング２０の自動操舵および手動操舵を適切に切り換えることができる。

また、パワーステアリング制御装置１００は、観測ノイズおよびシステムノイズの影響を低減させたドライバ入力トルクの推定値を算出できるので、このようなノイズを低減させるためのローパスフィルタ等を用いなくてもよい。これにより、ローパスフィルタによって発生する遅延を低減できるので、パワーステアリング制御装置１００は、より高速に運転手のハンズオン状態およびハンズオフ状態を検出できる。したがって、パワーステアリング制御装置１００は、運転手が感じるステアリングホイール２１の操舵フィーリングの劣化を抑制することができ、また、走行中の車両の目標車線の逸脱等を低減できる。

また、パワーステアリング制御装置１００は、非線形な項を含む運動方程式から線形な状態方程式に変換するので、ステアリングホイールに非線形な力が作用しても、ドライバ入力トルクを推定できる。さらに、パワーステアリング制御装置１００は、オイラー法を用いて速やかに線形な状態方程式に変換し、ルンゲクッタ法を用いてドライバ入力トルクの推定値をより正確に算出することもできるので、効率よくドライバ入力トルクを推定できる。

＜パワーステアリング制御装置１００の他の例＞
以上の本実施形態に係るパワーステアリング制御装置１００は、イノベーションゲインＭを（数５）式のリカッチ代数方程式から算出して、定常的な値として取り扱う例を説明したが、これに限定されることはない。方程式算出部１４０は、（数４）式のリカッチ微分方程式の解をサンプリング時間毎に算出して、イノベーションゲインＭを非定常的な値として算出してもよい。このように、誤差のある観測値を用いて、動的なシステムの状態をリカッチ代数方程式またはリカッチ微分方程式を用いて推定する手法は、定常カルマンフィルタ、非定常カルマンフィルタの範囲の技術であり、より詳細な計算処理については記載を省略する。

また、以上の本実施形態に係るパワーステアリング制御装置１００は、方程式算出部１４０がイノベーションゲインＭを含む連続時間の微分方程式を算出してから、推定値算出部１５０が微分方程式を離散化して数値計算する例を説明したが、これに限定されることはない。例えば、方程式算出部１４０が離散時間の状態方程式を算出してから、推定値算出部１５０が離散化された方程式の解を数値計算で算出してもよい。このようなパワーステアリング制御装置１００の例について、次に説明する。

方程式算出部１４０は、例えば、方程式変換部１８０が変換した状態方程式を用いて、操舵トルクおよび操舵角のサンプリング時間毎に離散化した状態方程式を算出する。連続時間の状態方程式は、Ｚｏｈ法、Ｔｕｓｔｉｎ法等の既知の方法により、離散時間の状態方程式に変換できる。（数８）式に示す状態方程式を離散化した状態方程式に変換した例を次式に示す。

（数１１）式に示す状態方程式は、観測ノイズおよびシステムノイズに基づくイノベーションゲインＭを含む状態方程式として次式のように表現できる。ここで、Ｐ［ｋ］は、状態ｘ［ｋ］の誤差分散を示す。方程式算出部１４０は、イノベーションゲインＭを含む状態方程式に、運転手が車両を運転中に観測された操舵トルクおよび操舵角を代入する。上記の連続時間の微分方程式からイノベーションゲインＭを導出した例ではＱとＲをイノベーションゲインＭ導出の設計要素として、あらかじめ設計者が調整するパラメータとして扱ったが、次式の離散時間を用いた例ではＱとＲをあらかじめ設計者が調整するパラメータとしてもよいし、白色雑音等の時変するパラメータとして扱ってもよい。

推定値算出部１５０は、算出された方程式を解くことにより、ステアリングホイール２１に加わったドライバ入力トルクの推定値を算出する。推定値算出部１５０は、１サンプリング後の状態予測値ｘ_ｐ［ｋ＋１］および予測誤差Ｐ_ｐ［ｋ＋１］を、次式を用いて算出する。

推定値算出部１５０は、状態予測値ｘ_ｐ［ｋ＋１］に含まれているドライバ入力トルクＴ_ｄの値を、ドライバ入力トルクの推定値として出力する。このようにして、推定値算出部１５０は、サンプリング時間毎にドライバ入力トルクの推定値を算出できる。以上のように、パワーステアリング制御装置１００は、運動方程式を離散時間の状態方程式に変換しても、ドライバ入力トルクを推定することができるので、この場合においても、上述したように、パワーステアリング２０を適切に制御できる。

また、上記の離散時間の状態方程式を使用した例ではイノベーションゲインＭをサンプル時間毎に逐次更新したが、Ａ_ｄ、Ｂ_ｄ、Ｃ_ｄ、Ｄ_ｄが一定で過渡応答を無視してもよい場合にはイノベーションゲインＭを一定値としてもよく、Ｐ_ｐ＝ＰおよびＰ［ｋ＋１］＝Ｐ［ｋ］と置き換え、（数１４）式の離散型リカッチ方程式の解としてイノベーションゲインをあらかじめ導出してもよい。

また、上記のパワーステアリング制御装置１００は、ステアリングホイール２１と車輪２８とが機械的に接続されないステアバイワイヤ方式の車両にも適用可能である。

また、上記のパワーステアリング制御装置１００は、ハンズオン状態を検知した場合に自動操舵システム１０を停止してもよい。システム停止の例として、例えば、ハンズオン状態を検知した場合にモータへの指令値を０にする方法が挙げられる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１０ 自動操舵システム
２０ パワーステアリング
２１ ステアリングホイール
２２ モータ
２３ ウォーム
２４ ウォームホイール
２５ 第１トーションバー
２６ 第２トーションバー
２７ アクチュエータ
２８ 車輪
３１ 第１検出器
３２ 第２検出器
１００ パワーステアリング制御装置
１１０ トルク取得部
１２０ 操舵角取得部
１３０ 記憶部
１４０ 方程式算出部
１５０ 推定値算出部
１６０ フィードバック部
１６１ 検知部
１６２ 信号生成部
１７０ 制御部
１８０ 方程式変換部

Claims (9)

1. 車両のステアリングホイールにかかる操舵トルクを前記車両のパワーステアリングから取得するトルク取得部と、
   前記ステアリングホイールの操舵角を前記パワーステアリングから取得する操舵角取得部と、
   非線形特性に対応する非線形項を含む前記ステアリングホイールの運動方程式を、離散化した時刻毎に線形な状態方程式に変換する方程式変換部と、
   変換された状態方程式に基づき、観測ノイズおよびシステムノイズに基づくイノベーションゲインを含み、前記操舵トルクおよび前記操舵角を適用した方程式を算出する方程式算出部と、
   算出された前記方程式を解くことにより、前記ステアリングホイールに加わったドライバ入力トルクの推定値を算出する推定値算出部と、
   算出された前記ドライバ入力トルクの前記推定値に基づいて、ハンズオン状態とハンズオフ状態とを検知する検知部と
   を備える、パワーステアリング制御装置。
2. 算出された前記ドライバ入力トルクの前記推定値に基づいて、フィードバック信号を生成するフィードバック部と、
   前記フィードバック信号と前記ステアリングホイールの目標操舵角とに基づき、前記パワーステアリングのモータを制御する制御部と
   を更に備える、請求項１に記載のパワーステアリング制御装置。
3. 前記フィードバック部は、前記検知部の検知結果に対応する前記フィードバック信号を生成する信号生成部を有する、請求項２に記載のパワーステアリング制御装置。
4. 前記フィードバック信号は、前記目標操舵角の修正値、前記パワーステアリングの自動操舵の停止信号、および前記パワーステアリングの自動操舵の開始信号を含む、請求項３に記載のパワーステアリング制御装置。
5. 前記推定値算出部は、前記操舵トルクおよび前記操舵角のサンプリング時間毎に前記方程式算出部が算出した前記方程式を離散化し、ルンゲクッタ法を用いて前記ドライバ入力トルクの前記推定値を算出する、請求項１から４のいずれか一項に記載のパワーステアリング制御装置。
6. 前記方程式変換部は、離散化した時刻毎に、状態量の近傍においてオイラー法を用いて線形な状態方程式に変換する、請求項１から５のいずれか一項に記載のパワーステアリング制御装置。
7. 車両のステアリングホイールにかかる操舵トルクを前記車両のパワーステアリングから取得するステップと、
   前記ステアリングホイールの操舵角を前記パワーステアリングから取得するステップと、
   非線形特性に対応する非線形項を含む前記ステアリングホイールの運動方程式を、離散化した時刻毎に線形な状態方程式に変換するステップと、
   変換された状態方程式に基づき、観測ノイズおよびシステムノイズに基づくイノベーションゲインを含み、前記操舵トルクおよび前記操舵角を適用した方程式を算出するステップと、
   前記方程式を解くことにより、前記ステアリングホイールに加わったドライバ入力トルクの推定値を算出するステップと、
   算出された前記ドライバ入力トルクの前記推定値に基づいて、ハンズオン状態とハンズオフ状態とを検知するステップと
   を有する、コンピュータが実行する前記パワーステアリングの制御方法。
8. コンピュータにより実行されると、前記コンピュータを請求項１から６のいずれか一項に記載の前記パワーステアリング制御装置として機能させる、プログラム。
9. 車両のステアリングホイールと、前記ステアリングホイールにかかる操舵トルクを検出する第１検出器と、前記ステアリングホイールの操舵角を検出する第２検出器とを有し、前記車両に搭載されているパワーステアリングと、
   前記パワーステアリングを制御する、請求項１から６のいずれか一項に記載の前記パワーステアリング制御装置と
   を備える、自動操舵システム。
   

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