JP3578488B2

JP3578488B2 - 自動操舵装置

Info

Publication number: JP3578488B2
Application number: JP16529494A
Authority: JP
Inventors: 多加志木村
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1994-07-18
Filing date: 1994-07-18
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2019-10-20
Also published as: JPH0826128A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車等の車両の運転支援システム（ＡＤＡ）に使用されて電子的に自動操舵する自動操舵装置に関し、詳しくは、自動操舵装置のシステム作動中の複数のセンサの信号によるギヤ比可変機構からなるメカ部、操舵制御モータとトルク制御モータとからなるモータ部及び操舵状況を検出するセンサ部の故障診断と、故障時のフェイルセーフを行なう自動操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両の安全性を飛躍的に向上する対策として、エアバック等の衝突被害軽減技術に対して、衝突しないための技術、即ち運転操作系を積極的にアシストして安全側に自動的に制御する総合的な運転支援システム（ＡＤＡ、ＡｃｔｉｖｅＤｒｉｖｅＡｓｓｉｓｔｓｙｓｔｅｍ）が開発されている。このＡＤＡシステムは、車両の前後に装着したカメラを有して道路状況、他の車両、障害物等の外部環境を三次元的に認識する制御ユニットにより、ドライバと同等の自律走行能力を持たせ、この自律走行能力によりブレーキ、スロットル及びステアリングの操作系の各種装置を自動的に適正に操作するように構成される。そしてＡＤＡシステムが目指す機能として、衝突防止機能と限定自動走行機能が考えられている。衝突防止機能は、運転操作の誤り等で追突の危険がある場合に自動ブレーキ作動したり、横風の際にハンドル修正したり、障害物を回避したりするものである。限定自動走行機能は、ドライバの代わりに自動操舵し、車線逸脱防止しながら、安全車間距離を保持するものである。
【０００３】
上記ＡＤＡシステムについて更に具体的に説明すると、例えば本件出願人による特開平４−６５３４７号の出願で示すように、車両に装着した複数のカメラにより前方風景や交通環境をとらえ、その画像を小領域に分割して各々について三角測量法で距離を算出して、画面全体が三次元の距離分布の画像を得る。そして距離画像から車線、前方車、障害物等を分離して検出する。車線からは左右の白線、道路形状等を認識する。前方車や障害物に対しては、物体が何であるか、障害物との相対的な距離や速度等を認識して、種々の画像データを得る。
【０００４】
また上述の画像データを利用して自動操舵するシステムとして、特開平４−３５６２７３号公報で示すように、ステアリング装置の操舵系に操舵制御モータやトルク制御モータを備えたプラネタリギヤ式のギヤ比可変機構を設ける。またステアリング制御する場合には、例えばハンドル側の操舵角、タイヤ側の転舵角及び操舵制御モータの作動状態を検出する３種類のセンサを設けることが考えられる。そして操舵制御モータとトルク制御モータの一方または両方を制御し、且つギヤ比可変機構を作動して、マニュアル操舵と自動操舵を可能にする。また自動操舵モードでは、２つのモータの制御方法により種々の形態でドライバに運転支援する。
【０００５】
従って、ＡＤＡシステム全体を大別すると操舵制御とトルク制御の２つのモータのモータ部、ギヤ比可変機構のメカ部及び操舵状況を検出するセンサで構成されるため、システム作動中はこれらの故障の有無を診断する必要がある。この場合に、３種類のセンサを有するので、これらセンサ信号を利用して故障診断することが好ましい。また故障の箇所により異なる不具合を生じるので、モータ部、メカ部またはセンサ部のいずれかの故障であるかを細かく診断する。そして各故障の箇所に応じて適確にフェイルセーフすることが要求される。
【０００６】
従来、上記自動操舵装置の制御に関しては、例えば特開平４−３００７８１号公報の先行技術がある。この先行技術において、ステアリング操作系のハンドル側とタイヤ側を分離構成する。そして画像データに基づいて走行系路に対する車両位置のずれ量を算出し、このずれ量とドライバのステアリング操作状態によりタイヤ側の自動操舵アクチュエータを作動して、常に車両を電子的に操舵することが示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記先行技術のものにあっては、ドライバのハンドル操作に対して常に電子的に操舵するものであるから、本発明の対象とする故障診断には適応できない。また先行技術の構成では機械的なマニュアル操舵ができないため、故障時には操舵して車両走行することが全く不能となる等の不具合がある。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑み、マニュアル操舵と自動操舵が可能な方式において、モータ部、メカ部及びセンサ部の故障を詳細に診断し、且つ故障の箇所に応じて適確にフェイルセーフすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため本発明は、車両のステアリング装置にギヤ比可変機構からなるメカ部を介設し、このギヤ比可変機構に、タイヤ側を自動操舵またはマニュアル操舵可能な操舵側制御モータと、ハンドル側の操舵反力を相殺するトルク制御モータとからなるモータ部を設けて、マニュアル操舵または自動操舵制御する自動操舵装置において、自動操舵装置のシステム作動中にハンドル側の操舵角、タイヤ側の転舵角、操舵制御モータの作動をそれぞれ検出するセンサ部と、このセンサ部からの信号パターンにより、モータ部、メカ部またはセンサ部の故障の有無を診断する故障診断部とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
【作用】
上記制御方法による本発明では、操舵角センサ、転舵角センサ等の信号により、例えばドライバがハンドルを握って操舵意志を判断する場合は、操舵制御モータの作動とギヤ比可変機構によりドライバのハンドル操作に基づいてタイヤ側がマニュアル操舵される。またドライバのハンドル手放しを判断する場合は、操舵制御モータ、トルク制御モータ及びギヤ比可変機構の作動でタイヤ側が自動操舵される。
このとき上述の制御が正常な場合は、ハンドル側の操舵角、タイヤ側の転舵角、操舵制御モータの作動をそれぞれ検出する３種類のセンサの、少なくとも２つの信号が変化したパターンになる。そこでこれ以外のパターン、車両走行中の特殊なパターン等を判断することで、モータ部、メカ部またはセンサ部の故障の有無が簡単且つ細かく診断される。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図２において、ＡＤＡシステムの概略について説明する。先ず、車両１のエンジン２のスロットル弁３には電気信号で開閉するアクチュエータ１１が設けられ、ブレーキペダル４の操作で前輪５と後輪６のホイールシリンダ７にブレーキ圧を発生して制動するブレーキ装置８には電気信号でブレーキ圧を加減圧する自動ブレーキ油圧ユニット１２が設けられる。また車両１の例えば左右前方には車両前方の所定の範囲を撮像するＣＣＤカメラ１３が配置され、ハンドル９を有するステアリング装置１０に電気信号で操舵する自動操舵パワーユニット１４が設けられる。
【００１２】
制御系として、ＣＣＤカメラ１３の撮像信号が入力する画像認識制御ユニット１５を有し、撮像信号に基づき三角測量法で距離を算出して、画面全体が三次元の距離分布の画像を得る。そして距離画像から車線、前方車、障害物等を分離して検出し、車線からは左右の白線、道路形状等を認識する。前方車や障害物に対しては、物体が何であるか、障害物との相対的な距離や速度等を認識して、種々の画像データを得る。この画像データは車間距離制御ユニット１６と自動操舵制御ユニット１７に入力する。
【００１３】
車間距離制御ユニット１６は、画像データと他の種々のセンサ信号により先行車や道路の障害物に対して安全な距離を保つように加減速度を演算し、この加減速度に基づく適正なスロットル開度のスロットル信号をアクチュエータ１１に出力してスロットル制御する。また加減速度に基づく適正なブレーキ圧のブレーキ信号を自動ブレーキ油圧ユニット１２に出力してブレーキ制御する。そしてドライバのブレーキ操作等が不充分な場合でも、安全車間を保ち、衝突を未然に防止して安全に走行することを可能にする。自動操舵制御ユニット１７は、画像データと他の種々のセンサ信号により道路の白線と車両とのずれ等を演算し、このずれに基づく操舵信号を自動操舵パワーユニット１４に出力して操舵制御する。そしてドライバのハンドル手放しの場合にも、安全に車線追従走行することを可能に構成される。
【００１４】
図３において自動操舵パワーユニット１４の構成について説明する。先ず、ステアリング装置１０のステアリング軸２０が入力軸２１と出力軸２２に２分割され、入力軸２１の端部にハンドル９が設けられ、出力軸２２は油圧パワーステアリング機構２３を介して前輪５に連結され、両軸２１，２２の間にギヤ比可変機構２５がバイパスして連結される。ギヤ比可変機構２５は、入、出力軸２１，２２とこれらに平行配置されるモータ軸２４に、２組のギヤ２６，２７と１組のプラネタリギヤ３０を組合せて構成される。
【００１５】
即ち、第１のギヤ２６は小径のドライブギヤ２６ａが入力軸２１に一体結合され、大径のドリブンギヤ２６ｂがモータ軸２４に回転可能に設けられる。第２のギヤ２７は大径のドライブギヤ２７ａがモータ軸２４に回転可能に設けられ、小径のドリブンギヤ２７ｂが出力軸２２に一体結合される。プラネタリギヤ３０はサンギヤ３１がモータ軸２４に一体結合され、リングギヤ３２が第２のギヤ２７のドライブギヤ２７ａの内側に形成され、サンギヤ３１とリングギヤ３２に噛合うピニオン３３が第１のギヤ２６のドリブンギヤ２６ｂと一体的なキャリア３４で支持される。そしてモータ軸２４の一端に可逆回転可能なウォームギヤ３５を介して操舵制御モータ３６が連結され、入力軸２１に同様なウォームギヤ３７を介してトルク制御モータ３８が連結される。また入力軸２１と出力軸２２の間には、タイヤが縁石等に衝突して大きい操舵トルクが入力し、両軸２１，２２が所定の角度以上回転した場合に直結するストッパ３９が設けられる。
【００１６】
そこでモータ軸２４のサンギヤ３１が固定した状態で、ドライバがハンドル９を操舵すると、入力軸２１と第１のギヤ２６によりプラネタリギヤ３０のキャリア３４が回転してピニオン３３が遊星回転し、リングギヤ３２と第２のギヤ２７により出力軸２２をハンドル９と同一方向に回転して転舵する。この場合に、ギヤの歯数を選択することにより、入、出力軸２２の回転が略同一にされる。またトルク制御モータ３８により入力軸２１を固定して操舵反力を相殺するようにトルクアシストする状態で、操舵制御モータ３６によりサンギヤ３１を回転すると、ピニオン３３の自転でリングギヤ３２と第２のギヤ２７を介し出力軸２２を同一方向に回転して電気的に転舵するように構成される。
【００１７】
制御系として、入力軸２１にはハンドル操舵角Ｑｈとその角速度ωｈを検出する操舵角センサ４０、操舵トルクＴｈを検出する操舵トルクセンサ４１が設けられ、出力軸２２にはタイヤ転舵角Ｑｐとその角速度ωｐを検出する転舵角センサ４２が設けられる。またギヤ比可変機構２５のモータ軸２４には位相角Ｑｓを検出する位相角センサ４３が設けられる。そして画像認識制御ユニット１５の画像データ、車速センサ４４の車速Ｖ及び上記各センサ４０〜４３の信号が自動操舵制御ユニット１７に入力して電気的に処理することで、操舵制御モータ３６とトルク制御モータ３８を制御するように構成される。
【００１８】
図１において、自動操舵制御ユニット１７について説明する。先ず、エンジンスタート直後のシステム起動時に作動する原点出し制御部５０と閾値設定部５１を有する。原点出し制御部５０は、トルク制御モータ３８によりハンドル側の入力軸２１を回転し、または操舵制御モータ３６によりタイヤ側の出力軸２２を回転して、ハンドル操舵角Ｑｈとタイヤ転舵角Ｑｐとが一致するように両軸２１，２２を位置合わせする。閾値設定部５１は、安全な極低速時にトルク制御モータ３８によりハンドル９を一時的に固定し、このとき操舵トルクセンサ４１の信号により個々のドライバの腕力の大きさを調べ、ドライバの腕力に基づいてドライバの操舵意志と手放しとを判断する閾値ａを定める。
【００１９】
閾値ａ、操舵トルクＴｈ及び車速Ｖはモード決定部５２に入力し、車両走行中に閾値ａとドライバの実際のハンドル操作の際の操舵トルクＴｈを比較して、ドライバの操舵意志を判断するとマニュアル操舵モードに、手放しの場合は自動操舵モードに決定する。またハンドル操舵角Ｑｈ、タイヤ転舵角Ｑｐ、車速Ｖ、画像データ、操舵トルクＴｈの信号はステアリング制御部５３に入力し、原点出し終了後に各モードに応じてモータ制御する。
【００２０】
即ち、マニュアル操舵モードでは、操舵制御モータ３６に所定の電流を供給してギヤ比可変機構２５のサンギヤ３１を固定する。自動操舵モードでは、トルク制御モータ３８によりハンドル９側に作用する操舵反力を相殺するようなアシストトルクをかける。そして画像データによる目標値と実際の車両の舵角から衝突や車線逸脱を回避するための目標舵角を求め、この目標舵角に応じた電流を操舵制御モータ３６に供給するように構成される。
【００２１】
更に、故障診断と故障時のフェイルセーフ制御系について説明する。故障診断の方法について説明すると、ハンドル側の操舵角Ｑｈ、タイヤ側の転舵角Ｑｐ及び操舵制御モータ３６の作動を検出する３種類のセンサ４０，４２，４３を有するため、これらセンサ信号を故障診断に用いることができる。ここで原点出し、マニュアル操舵、自動操舵では操舵角Ｑｈと転舵角Ｑｐのセンサ信号が異なるので、この２つのセンサ信号だけでは故障診断できないが、位相角センサ４３の信号を加えることで故障診断できる。また３種類のセンサ４０，４２，４３の信号パターンにより２つのモータ３６，３８のモータ部、ギヤ比可変機構２５のメカ部またはセンサ部の故障箇所も判断できる。故障時のフェイルセーフとしてモータ部とメカ部が正常であれば、マニュアル操舵モードでの操舵が可能である。
【００２２】
そこで３種類のセンサ４０，４２，４３の信号が入力する故障診断部５４を有し、システム作動中の信号パターンにより故障の有無、故障箇所を診断する。そして故障時は警報ランプ５５を点灯し、故障箇所がセンサ部等の場合はステアリング制御部５３にマニュアル操舵を固定指示するように構成される。
【００２３】
次に、この実施例の作用を説明する。先ず、エンジンスタート直後にドライバがハンドル９を握っているか否かを判断し、手放しの場合はトルク制御モータ３８で入力軸２１を回転し、握っている場合は操舵制御モータ３６で出力軸２２を回転して、タイヤ転舵角Ｑｐとハンドル操舵角Ｑｈが一致するように原点出しを行う。また極低速の安全な走行状態でトルク制御モータ３８により入力軸２１を固定し、この場合の操舵トルクセンサ４１によりドライバのハンドル操作の際の腕力を検出し、この腕力に基づいて閾値ａを決定する。
【００２４】
その後操舵トルクＴｈを閾値ａと比較し、Ｔｈ≧ａでドライバが実際にハンドル９を握っている操舵意志を判断すると、操舵制御モータ３６でサンギヤ３１を固定すると共にトルク制御モータ３８をフリーにしてマニュアル操舵モードに切換える。そこでドライバがハンドル操作すると、入力軸２１とギヤ比可変機構２５の第１と第２のギヤ２６，２７、固定したサンギヤ３１に対するプラネタリギヤ３０の作動で出力軸２２が同一方向に回転し、油圧パワーステアリング機構２３の作動で前輪５が左右に自由に転舵される。
【００２５】
一方、Ｔｈ＜ａのドライバの手放しを判断すると、自動操舵モードとなる。そこでギヤ比可変機構２５では、操舵制御モータ３６の作動によりウォームギヤ３５、モータ軸２４及びサンギヤ３１が回転するが、リングギヤ３２にはタイヤ側の大きい負荷がかかっているため、キャリア３４等が逆転してこの場合の操舵反力がハンドル９側に作用する。このときトルク制御モータ３８とウォームギヤ３７が作動して、入力軸２１、第１のギヤ２６、キャリア３４等を固定するようにトルクアシストされるため、操舵制御モータ３６によるサンギヤ３１の回転で、タイヤ側の負荷に抗してリングギヤ３２、第２のギヤ２７及び出力軸２２が回転して前輪５が自動的に転舵される。このため手放しの場合にも、衝突や車線逸脱等を回避するように安全に操舵制御される。
【００２６】
故障診断と故障時のフェイルセーフ制御を、図４のフローチャートを用いて説明する。先ず、エンジンスタート直後にステップＳ１でシステムの電源をチェックして、ＯＦＦする場合はステップＳ２へ進みステアリング制御を終了する。一方、システムの電源をＯＮして起動すると、ステップＳ３へ進んで操舵制御モータ３６を作動開始し、ステップＳ４でトルク制御モータ３８の作動開始する。その後ステップＳ５で３種類のセンサ４０，４２，４３の信号パターンをチェックする。
【００２７】
ここで３種類のセンサ４０，４２，４３の信号パターンを示すと、以下の表１のａ〜ｈの８通りになる。
【表１】

尚、表１において、１はセンサ信号の変化あり、０はセンサ信号の変化なし、をそれぞれ示す。
【００２８】
表１において、ａの全てのセンサ信号が変化する場合は、操舵制御モータ３６によりタイヤ側が自動操舵され、このときドライバがハンドル９を握っている状態でトルク制御モータ３８が操舵反力を相殺するように作動して操舵角Ｑｈも変化する正常な自動操舵モードの操舵を示す。ｅはドライバのハンドル手放しで同様に自動操舵されて操舵角Ｑｈが変化しない場合であり、この場合も正常な自動操舵モードの操舵を示す。ｈの全てのセンサ信号が変化しない場合は、正常なステアリング動作停止状態を示す。ｂの操舵角Ｑｈと転舵角Ｑｐのみが変化する場合は、正常なマニュアル操舵モードの操舵を示す。
【００２９】
このように操舵角Ｑｈと転舵角Ｑｐとが変化する場合は、更にそれらの角速度ωｈ，ωｐの変化をチェックし、括弧書きのようにいずれか１つが変化しない場合はセンサ部異常を示す。また正常時には少なくともいずれか２つのセンサ信号が変化するため、ｄ，ｆ，ｇのいずれか１つのセンサ信号のみが変化する場合は、メカ部の異常を示す。ｃは車両停車中であれば、操舵制御モータ３６のフリーの状態でトルク制御モータ３８により正常に原点出しを行って、操舵角Ｑｈと位相角Ｑｓが変化する場合を示す。一方、車両走行中にこの信号パターンになり、この場合に操舵トルクＴｈの信号が出力してドライバがハンドル９を握っている条件では、操舵制御モータ３６の暴走を示す。またハンドル手放しの条件では、自動操舵の際にトルク制御モータ３８の不良により操舵反力がハンドル側に逃げてしまい、タイヤが切れないことを示す。
【００３０】
そこでステップＳ５では３種類のセンサ４０，４２，４３の信号パターンが、表１のいずれに該当するかをチェックすることで、故障の有無が簡単且つ細かく診断される。そして正常な原点出し、自動操舵またはマニュアル操舵を判断すると、ステップ１に戻る。一方、故障を診断すると、ステップＳ５からステップＳ６へ進んで故障箇所をチェックし、ｄ，ｆ，ｇのメカ部の故障時、または車両走行中のｃの操舵制御モータ３６の故障時には、ステップＳ７へ進んで制御停止し、走行不能を警告する。センサ部またはトルク制御モータ３８の故障では、ステップＳ６からステップＳ８へ進んで操舵制御モータ３６によりサンギヤ固定し、ステップＳ９でマニュアル操舵モードに固定する。従って、この場合はドライバのハンドル操作により操舵して、通常に車両走行することが可能になる。
【００３１】
以上、本発明の実施例について説明したが、ギヤ比可変機構の構成の異なる場合にも適応できる。
【００３２】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によると、マニュアル操舵と自動操舵が可能な自動操舵装置において、自動操舵装置のシステム作動中にハンドル側の操舵角、タイヤ側の転舵角、操舵制御モータの作動をそれぞれ検出する３種類のセンサの信号パターンにより、操舵制御モータとトルク制御モータとからなるモータ部、ギヤ比可変機構からなるメカ部または操舵状況を検出するセンサ部の故障の有無を診断するので、簡単且つ詳細に故障診断できる。このためＡＤＡシステムの安全性が向上し、故障時のフェイルセーフでは、マニュアル操舵モードを最大限活用できる。センサ部またはトルク制御モータの故障時には、マニュアル操舵モードに固定するようにフェイルセーフするので、ドライバのハンドル操作で通常に車両走行することができて、整備工場等へ自ら行くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る自動操舵装置の故障診断方法に適した自動操舵制御ユニットの実施例を示すブロック図である。
【図２】ＡＤＡシステムの全体の概略を示す構成図である。
【図３】自動操舵パワーユニットを示す構成図である。
【図４】故障診断と故障時のフェイルセーフを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１車両
９ハンドル
１０ステアリング装置
１４自動操舵パワーユニット
１５画像認識制御ユニット
１７自動操舵制御ユニット
２５ギヤ比可変機構
３６操舵制御モータ
３８トルク制御モータ
４０操舵角センサ
４２転舵角センサ
４３位相角センサ
５４故障診断部

Claims

車両のステアリング装置にギヤ比可変機構からなるメカ部を介設し、このギヤ比可変機構に、タイヤ側を自動操舵またはマニュアル操舵可能な操舵側制御モータと、ハンドル側の操舵反力を相殺するトルク制御モータとからなるモータ部を設けて、マニュアル操舵または自動操舵制御する自動操舵装置において、
自動操舵装置のシステム作動中にハンドル側の操舵角、タイヤ側の転舵角、操舵制御モータの作動をそれぞれ検出するセンサ部と、
このセンサ部からの信号パターンにより、モータ部、メカ部またはセンサ部の故障の有無を診断する故障診断部とを備えたことを特徴とする自動操舵装置。
センサ部からの信号パターンに操舵トルク信号も加えて、操舵制御モータとトルク制御モータのいずれかの故障を診断することを特徴とする請求項１記載の自動操舵装置。
操舵角と転舵角のセンサ信号が共に変化する際には、操舵角の角速度を検出するセンサと転舵角の角速度を検出するセンサからのセンサ信号をチェックして、操舵角の角速度を検出するセンサからのセンサ信号と転舵角の角速度を検出するセンサからのセンサ信号のいずれかが変化しない場合にセンサ部の故障を診断することを特徴とする請求項１記載の自動操舵装置。
センサ部またはトルク制御モータの故障時には、マニュアル操舵モードに固定することを特徴とする請求項１記載の自動操舵装置。