JP3601253B2

JP3601253B2 - 運転姿勢適正化装置

Info

Publication number: JP3601253B2
Application number: JP13416497A
Authority: JP
Inventors: 昌敏羽田; 也寸志天野; 末晴名切; 俊一土居; 洋畔柳
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1997-05-23
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2017-05-23
Also published as: JPH10324180A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の運転者の運転姿勢を適正なものとし、運転操作をしやすくするための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両の運転者は、自分の体格にあわせて運転者座席やステアリングホイールの調整可能な可動部分の調整量を自ら調整し、アクセルペダルなどのペダル類との相対位置も含めて運転姿勢を適正なものとしていた。調整可能な可動部分としては、もっとも基本的なものは、運転者座席のシートクッションの前後方向の位置（前後スライド）や運転者座席のシートバックの傾き（リクライニング）などがある。その他、車種により、運転者座席に関しては、シートクッション前端および後端の上下方向の位置（バーチカル）、シートバックの横方向の保持力（サイドサポート）、シートバックの運転者の腰部に対応する部分のせり出し（ランバーサポート）などの調整可能な可動部分がある。また、ステアリングホイールにも、上下方向の位置（チルト）や前後方向の位置（テレスコピック）を調整可能なものがある。これらの可動部分の調整量は、一般的には、運転者が走行開始前に、自分に適するように調整している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、前記可動部分の調整は一般的には走行開始前に行われるが、適正な運転姿勢は車両の走行状態により変化するので、実際に走行が開始されると前記の調整が不適切のものとなる場合があった。すなわち、車両が加減速や旋回することによって、運転者の身体に加わる力の大きさおよび方向は、時々刻々と変換するため、運転者がステアリングホイールやペダル類などの車両運転に係る操作子の操作がしやすくなる運転姿勢は車両の走行状態によって変化する。また、前記の運転者の身体に加わる力の他にも、走行中の環境たとえば道路の種類によっても最適な運転姿勢が異なる。たとえば、高速道路走行中であれば、操舵量は小さいので、ステアリングホイールはほとんど持ち替えられることはない。よって、ステアリングホイールを持ち替えないで回転させやすい運転姿勢が好ましい。一方、ワインディング路などでは、操舵量が大きくなるのでステアリングホイールを頻繁に持ち替えるので、持ち替えやすい運転姿勢が好ましい。
【０００４】
このように、様々に変化する条件に対して常に最適な運転姿勢を保つには、前記の可動部分の調整を頻繁に行わなくてはならないが、運転操作中にこれらを行うことは困難である。
【０００５】
本発明は、前述の問題点を解決するためになされたものであり、様々な車両の走行状態において、運転姿勢を適正な状態に保つ運転姿勢適正化装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明に係る運転姿勢適正化装置は、図１に示す構成を有している。すなわち、車両の運転者の姿勢に起因する運転操作子の操作性を示す指標を、運転者座席と前記運転操作子の調整可能な可動部分の調整量に対応づけた操作性指標として記憶する操作性指標記憶手段１０と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段１２と、前記走行状態から、当該走行状態における適正な運転姿勢を示す操作性指標を目標操作性指標として算出する目標指標算出手段１４と、前記目標操作性指標から、前記操作性指標に基づき、前記運転者座席と運転操作子の可動部分の、目標となる調整量を算出する目標調整量算出手段１６と、前記目標調整量に基づき前記運転者座席と運転操作子の可動部分を駆動する駆動手段１８と、を有している。
【０００７】
前記運転操作子は、車両の運転に係る操作子であり、具体的にはステアリングホイール、アクセルペダル、ブレーキペダル、クラッチペダルおよびシフトレバーなどである。この操作子単独、またはいくつかについて操作性指標マップを作成することができる。また、前記操作性指標は、ステアリングホイールであれば、これを回転する操作のしやすさと、持ち替える操作のしやすさを示す指標との比とすることができる。また、ペダル類の操作性指標は、ペダル踏み込み方向の操作のしやすさと、ペダル踏み替え方向の操作のしやすさとに基づく指標とすることができる。また、運転座席の可動部分の調整量とは、従来技術の項で述べたように、前後スライド、シートバックのリクライニング、シートクッション前後端のバーチカル調整、サイドサポート、ランバーサポートなどである。また、ステアリングホイールの可動部分の調整量も従来技術の項で述べたように、チルト、テレスコピックなどである。これらの可動部分は、ひとつを本発明の調整の対象とすることもできるが、好ましくは複数の可動部分を組み合わせて調整の対象とすることができる。
【０００８】
前記走行状態検出手段１２は、車両のヨーレートを検出するヨーレートセンサとすることができる。また、これに替えて、車両横加速度を検出する横加速度センサや操舵角度や操舵速度を検出する操舵センサとすることもできる。また、公知の車両用ナビゲーションシステムから得られる自車両の位置および現在走行中の道路に関する情報から走行状態を推定するものとすることもできる。
【０００９】
また、前記駆動手段１８は、運転者座席に関しては、いわゆる電動シートのモータおよびこのモータを制御する制御部とすることができる。また、ステアリングホイールに関してはテレスコピック制御、チルト制御を行うモータおよびこれらを制御する制御部とすることができる。前記ペダル類やシフトレバーに関しては、これらそのものの調整を行うことはできないのが一般的であるが、運転者座席との相対位置や姿勢を調整できればよく、前記の運転者座席に駆動機構が備えられていれば、実用上これで十分である。しかし、ペダルどうしの相対位置を調整するなどより精細な調整を行うために、少なくとも一方にモータおよびこれの制御部などのような駆動手段を備えることができる。
【００１０】
本発明に係る運転姿勢適正化装置は、以下のように作用する。前記操作性指標記憶手段１０に記憶される操作性指標は、運転操作子に対する運転者の位置や向きなどである運転姿勢に応じて変化するものである。そして、車両の走行状態と運転姿勢を、操作性指標を介して関連づけることにより、そのときの走行状態に適した運転姿勢となるように前記の駆動手段によって運転者座席などを可動部分の調整を行う。すなわち、走行状態検出手段１２で検出された走行状態に適した操作性指標が目標操作性指標として目標指標算出手段１４で算出される。そして、目標操作性指標が実現されるような、各可動部分の調整量が操作性指標記憶手段１０に記憶された操作性指標に基づき目標調整量算出手段１６にて算出される。
【００１１】
これによって、運転者自らが前記の可動部分の調整を行わずとも、車両走行状態に応じた調整がおこなわれ、運転者の姿勢が適正化される。
【００１２】
さらに、前記操作性指標は、運転者の体格を変数として有するものとすることができ、本装置に、運転者の体格を入力する体格入力手段を設け、前記目標指標算出手段は、前記走行状態に加えて運転者の体格に基づき目標操作性指標を算出するものとすることができる。運転者の体格を考慮することによって、より適切な運転姿勢とすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。図２には、本実施形態の構成が示されている。操作性指標記憶手段としての記憶部２０は、本実施形態においてはＲＯＭ（リードオンリーメモリ）であり、運転者の座席やステアリングホイールの可動部分の調整量に対するステアリング操作のしやすさを示すステアリングホイール操作性指標マップを記憶している。この記憶内容については、後に詳述する。走行状態検出手段としてのヨーレートセンサ２２は、公知のセンサを用いることができ、車両のヨーレート、すなわち車両のＺ軸回りの回転角速度を検出する。検出されたヨーレートは、演算部２３に送出される。
【００１４】
演算部２３は、本実施形態においてはＣＰＵであり、所定のプログラムにより動作することで、目標指標算出部２４および目標調整量算出部２６として機能する。目標指標算出部２４は、送られてきたヨーレートと、あらかじめ定められた算出式に基づき、現在の走行状態における最適な操作性指標を目標操作性指標として算出する。目標調整量算出部２６は、目標操作性指標に基づき記憶部２０に記憶されたマップを参照して前記の目標操作性指標を実現するための、各可動部分の目標調整量を算出する。
【００１５】
そして、モータ制御部２８は、前記目標調整量となるように、各可動部分を駆動するモータ２９を制御する。各可動部分は、座席の前後スライド量、シートバックのリクライニング量、シートクッション前後端のバーチカル量、ステアリングホイールのチルト量、テレスコピック量である。ステアリングホイールのチルト量は、実際にはステアリングホイールを支持するステアリングポストを車体に固定された軸回りに揺動させて調整される。よって、ステアリングホイールは、チルト量調整によって、上下方向のみならず、若干ではあるがその向きが変更される。また、ステアリングホイールのテレスコピック量は、実際にはステアリングポストの伸縮量であり、ステアリングポストは通常水平には設けられていないために、この調整によって前後方向の位置のみならず、上下方向の位置も変化する。以上のような、各可動部分の調整によって、運転者の姿勢は、前記の目標指標を達成するものとなり、運転姿勢の最適化が達成される。
【００１６】
次に、操作性指標マップの作成、目標操作性指標の算出および目標調整量の算出に関し、順次詳述する。
【００１７】
操作性指標マップの作成
前述のように操作性指標は、運転者のステアリングホイールに対する位置および向き（姿勢）に応じて定まるステアリング操作のしやすさを示す指標である。まず、運転者の姿勢と座席およびステアリングホイールの各可動部分の調整量の関連づけを行う。所定の各可動部分の調整量をベクトルｑで表す（以下、単に調整量ｑと記す）。また、ステアリングホイール３０に対して着座した運転者のモデル３２を図３に示すように想定する。この運転者モデル３２の胴体、両肩間、上腕、前腕および手の長さはすでに定まっており、これらの長さを基に腰関節３４、肩関節３５、肘関節３６および手首関節３７の各々の角度を示すベクトルθを運転姿勢として算出する（以下、単に運転姿勢θと記す）。なお、図３において、球で表した関節は肩関節のようにどの向きにも曲げ可能な関節であり、円柱で示した関節は肘関節のように、一方向のみに曲げ可能な関節である。
【００１８】
運転姿勢θと、運転者がステアリングホイールを握る位置を示すベクトルＸ（以下、握り位置Ｘと記す。）とは、
【数１】

という非線形関数として表現できる。これを時間について偏微分すると、
【数２】

が得られる。
【００１９】
【数３】

を満足するような各関接角速度で実現可能なステアリングホイールの握り位置Ｘの速度は、
【数４】

で表される３次元楕円体４０（図４参照）となる。式（４）において記号「^Ｔ」は、この記号が付いた行列の転置行列を示す。この楕円体４０は、可操作性楕円体と呼ばれ、楕円体の半径が長い方向には速度が実現しやすく、短い方向には速度が実現しにくいことを表している。図４には、この可操作性楕円体の計算例が楕円体４０として描かれている。
【００２０】
行列Ｊ（θ）を特異値分解すると、
【数５】

が得られる。そして、楕円体の主軸半径λ_１，λ_２，λ_３（λ_１≧λ_２≧λ_３≧０）および主軸ベクトルΛ_１，Λ_２，Λ_３はそれぞれ、
【数６】

で表される。
【００２１】
前述の運転姿勢θと座席およびステアリングホイールの調整量ｑにから、図５に示すステアリングホイール３０の回転面内のステアリングホイール接線方向のベクトルｄ_ｓと、このベクトルｄ_ｓと楕円体４０の各主軸ベクトルとのなす角φ_１，φ_２，φ_３が算出できる。また、同様に、ステアリングホイール回転面に垂直な方向ベクトルｄ_ｃと、このベクトルｄ_ｃと楕円体４０の各主軸ベクトルとのなす角ψ_１，ψ_２，ψ_３が算出できる。
【００２２】
このとき、ベクトルｄ_s方向の楕円体４０の実効半径ｒ_s（θ，ｑ）と、ベクトルｄ_c方向の楕円体４０の実効半径ｒ_c（θ，ｑ）は、それぞれ、
【数７】

で算出できる。
【００２３】
実効半径ｒ_s（θ，ｑ）は、ステアリングホイール３０を回転させる方向への可操作性楕円体の実効半径であるから、ステアリングホイール３０を回す操作のしやすさを示す指標とすることができる。同様に、実効半径ｒ_c（θ，ｑ）は、ステアリングホイール３０を持ち替える方向への可操作性楕円体の実効半径であるから、ステアリングホイール３０を持ち替える動作のしやすさを示す指標とすることができる。このふたつの指標の比、
【数８】

をステアリングホイールの操作性指標とする。この指標Ｍの値が大きくなるほど、持ち替え動作が必要ないようなステアリング操作に適した運転姿勢である。反対に、指標Ｍの値が小さくなるほど、持ち替え動作を伴うステアリング操作に適した運転姿勢である。したがって、高速道路などでは、指標Ｍが大きくなるような運転姿勢が好ましく、ワインディング路などでは、指標Ｍが小さくなるような運転姿勢が好ましい。
【００２４】
図６、図７および図８には、代表的な可動部分の調整量と、指標Ｍの関係が示されている。なお、プロットされた点のうち記号「□」で示される点は、平均的な日本人男性の体格を基に求めた指標であり、記号「○」および「△」は、前記平均的体格の各部の数値を各々−１０％、＋１０％としたものである。これらの図に示される情報がステアリングホイール操作性指標マップとして記憶部２０に記憶されている。
【００２５】
目標操作性指標および目標調整量の算出
ヨーレートセンサ２２は、車両のヨーレートを検出し、この検出されたヨーレートによりステアリングホイールの操作性指標の目標値Ｍ_ｄが、
【数９】

に基づき算出される。ここでＴ_１，Ｔ_２は、実験により求められた適当な正値である。また、｜ｒ｜_ｍａｘはヨーレートの絶対値の最大値である。また、目標操作性指標Ｍ_ｄの最適値である。したがって、ヨーレートが大きく変化しているときには、目標操作性指標Ｍ_ｄは小さな値を示し、ステアリングホイールの持ち替え動作がしやすくなる方向に変化する。反対に、ヨーレートがあまり変化しない場合には、目標操作性指標Ｍ_ｄが大きくなって、ステアリングホイールを回す操作がしやすくなる方向に変化する。この目標操作性指標Ｍ_ｄに対応した各可動部分の調整量を図６、７および８から求めれば、これが目標調整量ｑ_ｄとなる。
【００２６】
そして、このようにして求めた目標調整量ｑ_ｄに実際の調整量が変更されて運転者の姿勢がそのときの走行状態に適した姿勢となる。
【００２７】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、前述の実施形態に対して、操作性指標の算出の方法が異なるのみであり、よって記憶部２０に記憶されるステアリングホイール操作性指標マップが異なるが、他の構成については同様のものである。
【００２８】
本実施形態の操作性指標は、前述の実施形態でも用いた可操作性楕円体のステアリングホイールの接線方向の実効半径ｒ_s（θ，ｑ）と、力の出しやすさを表す可操作力楕円体の、ステアリングホイール回転面内のステアリングホイールに対する接線方向の実効半径の比を用いている。以下、可操作力楕円体およびこれを用いた操作性指標について説明する。
【００２９】
運転者の手先に加わる力のベクトルＦ（以下、力Ｆと記す）と関節に加わるトルクのベクトルτ（以下、トルクτと記す）の関係は、（３）式におけるヤコビ行列を用いて、
【数１０】

と表現できる。したがって、
【数１１】

で実現可能な運転者のステアリングホイールの握り位置における力Ｆは、
【数１２】

で表される３次元楕円体となる。この楕円体４２を図９に示す。この楕円体４２は、可操作力楕円体と呼ばれ、半径の長い方向には力を出しやすく、逆に半径の短い方向には力を出しにくいことを表している。この楕円体４２のベクトルｄ_sの方向（図５参照）の楕円体４２の実効半径ｒ_f（θ，ｑ）は、ステアリングホイールを回転するためのトルクの出しやすさを表している。また、前述の実施形態における可操作性楕円のベクトルｄ_sの方向の実効半径ｒ_s（θ，ｑ）は、前述のようにステアリングホイールの回転方向の速度の出しやすさを表している。これらの比、
【数１３】

を操作性指標Ｎとすることができる。この場合指標Ｎの値が大きくなるほど、操舵速度を要求される操作に適した運転姿勢を表している。また、運転指標Ｎが小さくなるほど、操舵トルクを要求される操作に適した運転姿勢を表している。
【００３０】
図１０、図１１および図１２には、代表的な可動部分の調整量と、指標Ｎの関係が示されている。なお、図６などと同様に３種の体格のモデルについてその関係が示されている。これらの図に示される情報がステアリングホイール操作性指標マップとして記憶部２０に記憶されている。
【００３１】
そして、本実施形態においても、ヨーレートセンサの検出値に基づき、所定の算出式に基づき目標となる操作性指標Ｎ_ｄを算出し、前述の操作性指標マップから各可動部分の目標調整量を求めている。この目標調整量に実際の調整量を制御する点は、前述の実施形態と全く同様である。
【００３２】
なお、前述の各実施形態においては、車両の走行状態を検出する手段としてヨーレートセンサを用いたが、これに限らず車両の横加速度や操舵角や操舵速度など他の車両状態量を検出するセンサを用いることもできる。また、公知の車両用ナビゲーションシステムを用いて現在自車両が走行中の道路に関する情報を得て、これに基づき目標操作性指標ＭｄまたはＮｄを算出することも可能である。
【００３３】
また、前述の各実施例においては、運転操作子としてステアリングホイールのみ取り扱ったが、アクセル、ブレーキ、クラッチなどのペダル類を加えて運転姿勢の適正化を図ることも可能である。この場合は、図１３に示すような下肢を含めた運転者モデル４４を用いる。この場合も、図１４および図１５に示すような下肢の可操作性楕円体または可操作力楕円体４６を求め、アクセルペダル踏み込み方向ｄ_ｐと、アクセルペダルからブレーキペダルへの踏み替え方向ｄ_ｂの楕円体４６の実効半径の比に基づき操作性指標を算出することができる。そして、この操作性指標と、座席やステアリングホイールの各可動部分の調整量とを対応させて記憶し、走行状態に適した操作性指標から最適な各調整量を算出することができる。各可動部分をこの調整量に基づき移動させることで、運転者の姿勢を適正化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図３】運転者のモデルを示す図である。
【図４】操作性楕円体の一例を示す図である。
【図５】ステアリングホイールの操作方向を示す方向ベクトルを示す図である。
【図６】可動部分と操作性指標の関係の一例を示す図である。
【図７】可動部分と操作性指標の関係の一例を示す図である。
【図８】可動部分と操作性指標の関係の一例を示す図である。
【図９】操作力楕円体の一例を示す図である。
【図１０】可動部分と操作性指標の関係の一例を示す図である。
【図１１】可動部分と操作性指標の関係の一例を示す図である。
【図１２】可動部分と操作性指標の関係の一例を示す図である。
【図１３】下肢も含めた運転者のモデルを示す図である。
【図１４】ペダル操作に関する操作性楕円体の一例を示す図である。
【図１５】ペダル操作に関する操作性楕円体の一例を示す図である。
【符号の説明】
２０記憶部（操作性指標記憶手段）、２２ヨーレートセンサ（走行状態検出手段）、２３演算部（目標指標算出手段、目標調整量算出手段）、２８モータ制御部（駆動手段）、２９モータ（駆動手段）、３０ステアリングホイール、３２，４４運転者モデル、４０（可操作性）楕円体、４２（可操作力）楕円体、４６（可操作性）楕円体。

Claims

車両の運転者の姿勢に起因する運転操作子の操作性を示す操作性指標を、運転者座席と前記運転操作子の調整可能な可動部分の調整量に対応づけて記憶する操作性指標記憶手段と、
車両の走行状態を検出する走行状態検出手段と、
前記走行状態から、当該走行状態における適正な運転姿勢を示す操作性指標を目標操作性指標として算出する目標指標算出手段と、
前記目標操作性指標から、前記の操作性指標と可動部分の調整量との対応付けに基づき、前記運転者座席と運転操作子の可動部分の、目標となる調整量を算出する目標調整量算出手段と、
前記目標調整量に基づき前記運転者座席と運転操作子の可動部分を駆動する駆動手段と、
を有し、
前記操作性指標は、前記運転操作子を操作する運転者の手または足の、運転操作にかかる実現可能な速度に基づき定められる、
運転姿勢適正化装置。
請求項１に記載の運転姿勢適正化装置であって、
前記運転者の手または足の、運転操作にかかる実現可能な速度は、手に関しては上肢の動作に関連する各関節の動きと各関節間の長さ、足に関しては下肢の動作に関連する各関節の動きと関節間の長さに基づき求められたものである、
運転姿勢適正化装置。
車両の運転者の姿勢に起因する運転操作子の操作性を示す操作性指標を、運転者座席と前記運転操作子の調整可能な可動部分の調整量に対応づけて記憶する操作性指標記憶手段と、
車両の走行状態を検出する走行状態検出手段と、
前記走行状態から、当該走行状態における適正な運転姿勢を示す操作性指標を目標操作性指標として算出する目標指標算出手段と、
前記目標操作性指標から、前記の操作性指標と可動部分の調整量との対応付けに基づき、前記運転者座席と運転操作子の可動部分の、目標となる調整量を算出する目標調整量算出手段と、
前記目標調整量に基づき前記運転者座席と運転操作子の可動部分を駆動する駆動手段と、
を有し、
前記操作性指標は、前記運転操作子を操作する運転者の手または足の、運転操作にかかる実現可能な速度と力の出しやすさに基づき定められる、
運転姿勢適正化装置。
請求項３に記載の運転姿勢適正化装置であって、
前記運転者の手または足の、運転操作にかかる実現可能な速度と力の出しやすさは、手に関しては上肢の動作に関連する各関節の動きと各関節間の長さ、足に関しては下肢の動作に関連する各関節の動きと関節間の長さに基づき求められたものである、
運転姿勢適正化装置。