JP3636926B2

JP3636926B2 - 車両用操舵装置

Info

Publication number: JP3636926B2
Application number: JP13027299A
Authority: JP
Inventors: 勝利西崎; 孝修高松; 雅也瀬川
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1999-05-11
Filing date: 1999-05-11
Publication date: 2005-04-06
Anticipated expiration: 2019-05-11
Also published as: EP1544079A3; EP1052161B1; JP2000318632A; EP1544079B1; EP1544079A2; DE60021952D1; DE60036423D1; EP1052161A3; US6308122B1; DE60021952T2; DE60036423T2; EP1052161A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえば、ステアリングホイールなどの操作手段の操作に対する舵取り車輪の転舵の関係を変更しうる車両用操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステアリングホイールと舵取り車輪を転舵するための舵取り機構とを機械的に切り離し、ステアリングホイールの操作方向および操作量を検出するとともに、その検出結果に基づいて、舵取り機構に電動モータ等のアクチュエータからの駆動力を与えるようにした車両用操舵装置が提案されている（たとえば、特開平９ー１４２３３０号公報参照）。
【０００３】
このような構成を採用することにより、舵取り機構とステアリングホイールとを機械的に連結する必要がないので、衝突時におけるステアリングホイールの突き上げを防止できるとともに、舵取り機構の構成を簡素化および軽量化することができる。また、ステアリングホイールの配設位置の自由度が増し、さらには、ステアリングホイール以外のレバーまたはペダル等の他の操作手段の採用をも可能とすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような構成の車両用操舵装置においては、ステアリングホイールの操作と舵取り機構の動作との関係を電気的制御によって、自由に変更することができるので、車両の運転性能を飛躍的に向上できるものと期待されている。
たとえば、ステアリングホイールと舵取り機構とが機械的に連結された通常の車両では、操舵に対する車両の運動特性（オーバーステア、アンダーステア、ニュートラルステアなど）は、車両諸元（重量、ホイールベース、重心位置等のパラメータ）によって、ほぼ確定する。そこで、通常の車両は、安定性を確保するために、若干のアンダーステアとなるように設計されている。
【０００５】
しかし、車両の運動特性は、乗員数や積載荷重に応じて変化し、一般には、車両の総重量が重いほど、アンダーステアの傾向が強くなって、操舵に対する車両挙動が鈍くなる。すなわち、曲がりにくい車両となる。
また、車両の運動特性は、個々の車両によって異なっている。したがって、運転者は、普段運転している車両以外の車両を運転するとき、しばしばとまどいを感じ、運転に慣れるまでに時間を要する場合がある。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、操舵に応答した良好な挙動変化を実現することができる車両用操舵装置を提供することである。
この発明の具体的な目的は、運転者の技量を補って、コーナリング時の車両の挙動を安定化することができる車両用操舵装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
請求項１記載の発明は、操作手段の操舵角に基づいて舵取り機構を駆動する車両用操舵装置であって、コーナリング時における修正操舵量を検出する修正操舵量検出手段と、この修正操舵量検出手段によって検出される修正操舵量に基づいて、操作手段の操舵角に対する車輪の転舵角の関係を更新して設定し、この設定された関係に基づいて舵取り機構を駆動制御する転舵角制御手段とを含むことを特徴とする車両用操舵装置である。
【００１２】
上記修正操舵量は、たとえば、操作手段の操舵角を操舵角検出手段（ロータリエンコーダなど）により検出し、コーナリング後に操舵角が定常状態に導かれるまでのオーバーシュート量を算出することにより求めることができる。たとえば、この操舵角変化のオーバーシュート量が一定値を超えることを条件に、操舵角と車輪の転舵角との関係を更新するようにしてもよい。
【００１３】
また、上記修正操舵量は、たとえば、コーナリング後に、車両のヨー角変化または車両の横方向位置（車両の進行方向と直交する方向の位置。すなわち、車幅方向の位置）が定常状態に導かれるまでのオーバーシュート量を算出することにより求めることができる。たとえば、ヨー角変化または車両の横方向位置のオーバーシュート量が一定値を超えることを条件に、操舵角と車輪の転舵角との関係を更新するようにしてもよい。
【００１４】
運転技術が未熟な運転者は、交差点などでのコーナリングの終期において、ハンドルの戻し操作が遅れる傾向にあり、これにより、修正操舵を余儀なくされ、車両が左右にふれることになる。請求項２記載の発明では、修正操舵量に応じて、舵取り機構の制御態様が適切に変更されるので、運転者の運転技術の良否によらずに、スムーズなコーナリングを実現でき、車両の挙動を安定化できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成を示す概念図である。この図１を参照して、まず、１つの参考例の車両用操舵装置について説明する。この車両用操舵装置は、舵取り用の一対の車輪（通常は、前輪）１０，１０に舵取り動作を行わせるための舵取り機構１と、この舵取り機構１から機械的に切り離して設けられた操作手段としてのステアリングホイール２と、このステアリングホイール２に反力を付与する反力アクチュエータ３と、マイクロプロセッサ等を含む舵取り制御部４とを有している。舵取り制御部４は、ステアリングホイール２の操作に応じて、舵取り機構１に付設された操舵アクチュエータとしての操舵モータ５を駆動し、この舵取り機構１を作動させる。
【００１８】
舵取り機構１は、車体の左右方向に延びて配設されて軸長方向に摺動する操舵軸１１と、この操舵軸１１の両端部にタイロッド１３，１３を介して結合され、車輪１０，１０を支持するナックルアーム１２，１２とを有している。操舵軸１１は、ハウジング１４によって支承されて、軸方向に摺動可能とされている。この操舵軸１１の途中部には、同軸的に操舵モータ５が組み込まれており、この操舵モータ５の回転をボールねじ等からなる運動変換機構によって操舵軸１１の摺動に変換することによって、車輪１０の操舵を行う構成となっている。操舵モータ５や運動変換機構の一例は、たとえば、特開平９−１４２３３０号公報などに開示されている。
【００１９】
操舵モータ５に関連して、この操舵モータ５の回転位置を検出するためのロータリエンコーダ１５が配置されており、また、操舵軸１１に関連して、この操舵軸１１の軸方向位置を検出することによって車輪１０の舵角を検出するための舵角センサ１６が設けられている。これらのロータリエンコーダ１５および舵角センサ１６の各出力信号は、舵取り制御部４に入力されるようになっている。
【００２０】
反力アクチュエータ３は、両側に突出する回転軸３０を備えた電動モータ（たとえば、三相ブラシレスモータ）で構成されており、そのケーシングを車体の適所に固定してある。ステアリングホイール２は、回転軸３０の一端側の突出端に同軸的に固定されており、回転軸３０の他端側の突出端は、所定の弾性を有する捩ればね３１により、車体の適所に連結されている。
【００２１】
反力アクチュエータ３は、舵取り制御部４から与えられる動作指令信号に応じて駆動回路３ａから通電されることにより、正逆両方向へのトルクを発生し、ステアリングホイール２に、その操作方向と逆方向の反力を付与する。ステアリングホイール２の回転操作の際には、反力アクチュエータ３が発生する反力に抗する操舵トルクを加える必要がある。この操舵トルクは、反力アクチュエータ３に付設されたトルクセンサ３２によって検出される。また、ステアリングホイール２の操作量および操作方向は、反力アクチュエータ３に付設されたロータリエンコーダ３３（操舵角検出手段）によって検出される。そして、トルクセンサ３２およびロータリエンコーダ３３の検出結果は、舵取り制御部４に与えられるようになっている。
【００２２】
捩ればね３１は、回転操作の停止時に、その弾性により、回転軸３０を回転させてステアリングホイール２を所定の中立位置に復帰させる。これにより、車輪１０，１０の直進方向への復帰動作に伴って、ステアリングホイール２を中立位置に復帰させることができる。
舵取り制御部４には、さらに、操舵モータ５に流れる電流を検出するための電流センサ７、車速を検出するための車速センサ６、車両のヨーレートを検出するためのヨーレートセンサ８（ジャイロなど）、および車両の横方向加速度を検出する横加速度センサ９が接続されている。
【００２３】
この参考例においては、ステアリングホイール２の操作に対する車両の挙動特性（ヨーレート、横方向加速度など）を車両走行中常に演算し、予め設定した目標挙動特性との差を小さくするように、舵取り制御部４は、駆動回路５ａを介して操舵モータ５を制御する。具体的には、ステアリングホイール２の操作量であるハンドル舵角δ_h（ロータリエンコーダ３３で検出）に対する車輪１０の実舵角δ_f（転舵角：舵角センサ１６で検出）の関係を、車両の挙動特性と目標挙動特性との比較結果に基づいて、逐次変更するようにしている。すなわち、この参考例では、舵取り制御部４は、挙動変数演算手段および転舵角制御手段としての働きを有している。
【００２４】
一般に、ハンドル舵角δ_hに対する車両の動特性（ここでは、ヨーレート）は、下記第(1)式で表される。
【００２５】
【数１】

【００２６】
ただし、γ・・・・・・ヨーレート
Ｇγ＝Ｖ／（１＋ＳＦ・Ｖ²）ＷＢ・・・・・・定常ゲイン
Ｔγ＝ｍｌ_fＶ／２ＷＢ・Ｋ_r・・・・・・時定数
ω_n・・・・・・車両の固有振動数
ζ・・・・・・車両の減衰比
ｓ・・・・・・ラプラス演算子
ｍ・・・・・・車両の質量
Ｋ_r・・・・・・後輪コーナリングパワー
ｌ_f・・・・・・前輪重心間距離
ＳＦ・・・・・・スタビリティファクター
ＷＢ・・・・・・ホイールベース
Ｖ・・・・・・車速
一方、一般に、ステアリングホイールと舵取り機構とを機械的に切り離した操舵システムでは、たとえば、ハンドル角δ_hに対する実舵角δ_fの定常ゲインを車速に応じて設定（車速感応ギア比）することにより、下記第(2)式に基づいて目標実舵角δ_f ^*を設定している。
【００２７】
δ_f ^*＝Ｎ（Ｖ）・δ_h・・・・・・(2)
Ｎ（Ｖ）は、車速感応ギア比を表す。
これに対して、本参考例では、下記第(3)式に基づいて、目標実舵角δ_f ^*が定められる。
δ_f ^*＝Ｎ(V)・（Ｋ_p＋Ｋ_dｓ）・δ_h・・・・・・(3)
Ｋ_p・・・・・・比例パラメータ
Ｋ_d・・・・・・微分パラメータ
ｓ・・・・・・ラプラス演算子
舵取り制御部４は、車両の目標挙動特性と実際の挙動特性との差を走行中常時演算しており、これに基づいて、比例パラメータＫ_pおよび微分パラメータＫ_dを逐次最適値に設定する。
【００２８】
より具体的に説明すると、舵取り制御部４は、定常ゲインＧγと、時定数Ｔγとを走行中常時演算している。そして、予め定めた定常ゲイン目標値Ｇγ^*および時定数目標値Ｔγ^*に対する実際の定常ゲインＧγおよび時定数Ｔγの差ΔＧγおよびΔＴγを求める。すなわち、
ΔＧγ＝Ｇγ−Ｇγ^* ・・・…(4)
ΔＴγ＝Ｔγ−Ｔγ^* ・・・…(5)
である。
【００２９】
定常ゲインの偏差ΔＧγは、目標とする車両挙動の静特性との差に対応している。そこで、この定常ゲインの偏差ΔＧγの値に基づき、このΔＧγの値を最小化するように、比例パラメータＫ_pが変更される。より具体的には、偏差ΔＧγが負のときに、比例パラメータＫ_pを一定の微小値（たとえば、０．０５程度）だけ大きくしていき、偏差ΔＧγが０以上になった時点で、比例パラメータＫ_pの設定を終えるようにしてもよい。この場合には、定常ゲインＧγの初期値が定常ゲイン目標値Ｇγ^*よりも小さくなるように、予めスタビリティファクターＳＦなどを定めておけばよい。
【００３０】
一方、時定数Ｔγは、車両の応答速度、すなわち、車両の動特性に対応している。そこで、時定数Ｔγの偏差ΔＴγの値に基づき、この偏差ΔＴγを最小化するように、微分パラメータＫ_dが変更される。具体的には、偏差ΔＴγが負の場合には、応答が目標値よりも速いことになるので、微分パラメータＫ_dを一定の微小値（たとえば、０．０１程度）だけ小さくすることにより、応答が鈍化される。したがって、予め時定数Ｔγの初期値が目標値Ｔγ^*よりも小さくなるようにしておき、偏差ΔＴγが０以上になった時点で、微分パラメータＫ_dの設定を終えるようにしてもよい。
【００３１】
図２は、実舵角δ_fの時間変化の一例を示す図である。たとえば、曲線Ｌ１で示すように、ハンドル角δ_hが変化するようなステップ操舵が行われた場合を想定する。上記第(2)式に従う通常の制御の場合には、曲線Ｌ２のように実舵角δ_fが変化する。これに対して、上記第(3)式に従う本参考例の制御では、微分項（ｓの項）の効果により、曲線Ｌ３に示すように、立ち上がり特性が改善されている。
【００３２】
定常ゲインの偏差ΔＧγは、ハンドル角δ_hに対応した目標実舵角δ_f ^*と実際の実舵角δ_fとの差から得られる。すなわち、
【００３３】
【数２】

【００３４】
であるので、実舵角δ_fの目標値δ_f ^*に対する偏差Δδ_f（＝δ_f−δ_f ^*）から、定常ゲインの偏差ΔＧγを算出することができる。
一方、時定数Ｔγの偏差ΔＴγは、ハンドル角δ_hの変動に相当する目標ヨーレートγ^*と、実際のヨーレートγ（ヨーレートセンサ８で検出）との時間差に基づいて求めることができる。
【００３５】
すなわち、たとえば、図３に示すように、ハンドル角δ_hの変動に対応して目標ヨーレートγ^*が設定されるとすれば、目標ヨーレートγ^*の変動を表す曲線Ｌ１１と実際のヨーレートγの変動を表す曲線Ｌ１２との同一位相点（たとえば、ピーク点やゼロクロス点）の時間差Δｔを検出すれば、この時間差Δｔは、上述の時定数の偏差ΔＴγに相当する。
【００３６】
このようにこの参考例によれば、車両の実際の挙動特性を常時演算するとともに、この挙動特性と目標挙動特性との差違を最小化するように、比例パラメータＫ_pおよび微分パラメータＫ_dが変化させられ、これにより、ハンドル角δ_hに対する実舵角δ_fの定常ゲインＧγおよび時定数Ｔγ（応答特性）が、自動的に一定の目標値に導かれる。
【００３７】
これにより、どのような車両においても一定の運動特性が得られるから、運転者は、いずれの車両を運転した場合でも、極めてなじみやすい良好なフィーリングを得ることができ、当初からスムーズに運転することができる。また、比例パラメータＫ_pおよび微分パラメータＫ_dを、エンジンを始動する度に、前回値を初期値として再計算するようにすれば、車両の各部の経時変化を補償することができ、車両の使用寿命のほぼ全期間にわたって一定の良好な運動特性を保持することができる。
【００３８】
次に、この発明の一実施形態につき、上述の図１を再び参照して説明する。この実施形態においても、上述の参考例の場合と同様、上記第(3)式に基づいて実舵角の目標値δ_f ^*が定められ、この目標値δ_f ^*に基づいて、舵取り制御部４は、操舵モータ５を制御する。
そして、この実施形態においては、比例パラメータＫ_pおよび微分パラメータＫ_dの自動調整により、未熟な運転者の運転技術を補い、理想的なコーナリングを実現する。
【００３９】
具体的には、コーナリング時においてヨー角変化または車両の横方向位置の変化が定常状態に至る過程におけるオーバーシュート量と、コーナリング時のハンドル角δ_hのオーバーシュート量（修正操舵量）が演算される。ヨー角変化は、ヨーレートセンサ８により検出されるヨーレートを積分することによって求められる。横方向位置の変化は、横加速度センサ９が検出する横方向加速度を２回積分することによって求められる。また、ハンドル角δ_hは、ロータリエンコーダ３３の出力に基づいて検出することができる。
【００４０】
未熟な運転者は、ハンドル操作が遅れる傾向にあり、交差点などでコーナリングを行うときに、ハンドルの戻しが遅れ、コーナリング方向とは逆方向への修正操舵を行わなければならなくなる。そのため、図４に示すように、コーナリング終期において車両５０がふらつき、車両５０の方向（ヨー角）や車両５０の横方向位置が一定の定常状態に落ち着くまでに何度かの修正操舵を要する。
【００４１】
この場合、ヨー角およびハンドル舵角は、図５(a)および図５(b)にそれぞれ示すような時間変化を示す。これらの図において、斜線を付して示す部分がそれぞれオーバーシュートに相当し、理想的なコーナリングでは、このオーバーシュートが零になり、未熟な運転者では、このオーバーシュート量が大きくなる。
そこで、この実施形態では、次の▲１▼および▲２▼の両条件が満たされると、比例パラメータＫ_pおよび微分パラメータＫ_dがそれぞれ一定の微少量（たとえば、Ｋ_pについては０．０５程度、Ｋ_dについては０．０１程度）ずつ大きい値に逐次更新される。これにより、オーバーシュート量が最小化される。
【００４２】
▲１▼ヨー角変化（または横方向位置）のオーバーシュート量が所定のしきい値を超えたこと。
▲２▼ハンドル舵角のオーバーシュート量が所定のしきい値を超えたこと。
ヨー角変化（または横方向位置）のオーバーシュート量およびハンドル舵角のオーバーシュート量は、図５から理解されるとおり、ヨー角変化（または横方向位置）やハンドル舵角についての積分演算により求めることができる。この積分演算は、舵取り制御部４により演算される。このように、この実施形態では、ヨーレートセンサ８または横加速度センサ９、ロータリエンコーダ３３、および舵取り制御部４などにより、修正操舵量検出手段が構成されている。
【００４３】
比例パラメータＫ_pを増加させることにより、ハンドル角δ_hに対する実舵角δ_fの定常ゲインが大きくなり、また、微分パラメータＫ_dを増加させることにより、ハンドル操作に対する実舵角変化の応答速度が速くなる。これにより、未熟な運転者のハンドル操作の遅れを補償することができ、スムーズなコーナリング挙動を実現できる。しかも、オーバーシュート量を実際に求めて比例および微分パラメータＫ_p，Ｋ_dを変更するようにしているので、運転者の技量やくせに対応した遅れ補償を行うことができ、どのような運転者でも確実に一定のコーナリング挙動を達成できるようになる。
【００４４】
なお、この実施形態は、ステアリングホイールと舵取り機構とが、たとえばラック・アンド・ピニオンなどにより機械的に連結され、舵取り機構に対して操舵補助力を与える構成のパワーステアリング装置にも適用することができる。
すなわち、たとえば、ステアリングホイールに加えられた操舵トルクに対応した目標アシストトルク（操舵補助の目標値）が演算される場合に、この目標アシストトルクを、下記第（８）式に基づいて算出する。
【００４５】
Ｔａ^*＝（Ｋ_p＋Ｋ_dｓ）・Ｔ_h ・・・・・・（８）
Ｔａ^*・・・・・・目標アシストトルク
Ｔ_h・・・・・・操舵トルク
ｓ・・・・・・ラプラス演算子
そして、比例パラメータＫ_pおよび微分パラメータＫ_dを上述の実施形態の場合と同様にして逐次調整する。
【００４６】
これにより、操舵の遅れが補償され、上述の実施形態の場合と同様な効果を達成できる。
なお、ステアリングホイールと舵取り機構とが機械的に分離された構成の場合には、上記第(3)式による舵取り機構１の制御に加えて、反力アクチューエータの発生トルクについて、上記第（８）式に準じた制御が行われることが好ましい。
【００４７】
次に、別の参考例について、上述の図１を再び参照して説明する。上述の第１の参考例および実施形態では、車両の運動特性が自動で変更されるが、この参考例では、図１において二点鎖線で示すように、舵取り制御部４に接続されたスタビリティファクター（ＳＦ）設定部２０（運動特性設定手段）の操作によって、運転者が好みの運動特性を設定できるようになっている。スタビリティファクター設定部２０は、たとえば、運転者が操作可能な位置に配置されたボリウムやスイッチで構成することができる。
【００４８】
通常、舵角制御によるヨーレートコントロールでは、操舵トルクＴまたはハンドル角δ_hに対するヨーレートの目標値γ^*は、車両の設計諸元等に基づいて予め定められた固定値とされている。
これに対して、この参考例では、舵取り制御部４は、目標ヨーレートγ^*を下記第（９）式により求め、この目標ヨーレートγ^*に基づいてヨーレートコントロールを実行するようになっている。
【００４９】
【数３】

【００５０】
Ｖ・・・・・・車速
ＳＦ^*・・・・・・可変スタビリティファクター
ＷＢ・・・・・・ホイールベース
したがって、スタビリティファクター設定部２０によりスタビリティファクターＳＦ^*を可変設定することにより、目標ヨーレートγ^*を可変設定することができるから、運転者の好みのヨーレートコントロールを実現できる。すなわち、ハンドル角δ_hに対するヨーレートγのゲイン（比）を運転者の好みの設定に合わせることができる。
【００５１】
以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明は他の形態でも実施することができる。たとえば、操作手段としては、ステアリングホイールの代わりに、ペダルやレバーなどの他の構成を採用することができる。また、上述の車両用操舵装置は、他の車両ヨーモーメント制御システムと統合されてもよい。
【００５２】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成を示す概念図である。
【図２】実舵角の時間変化の一例を示す図である。
【図３】目標ヨーレートおよび実際のヨーレートの時間変化の一例を示す図である。
【図４】修正操舵を要する未熟な運転者による車両の走行軌跡の一例を示す図解図である。
【図５】未熟な運転者によるコーナリング時のヨー角およびハンドル舵角の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
１舵取り機構
２ステアリングホイール
４舵取り制御部
５操舵モータ
８ヨーレートセンサ
９横加速度センサ
１０車輪
１１操舵軸
１５ロータリエンコーダ
１６舵角センサ
２０スタビリティファクター設定部

Claims

操作手段の操舵角に基づいて舵取り機構を駆動する車両用操舵装置であって、
コーナリング時における修正操舵量を検出する修正操舵量検出手段と、
この修正操舵量検出手段によって検出される修正操舵量に基づいて、操作手段の操舵角に対する車輪の転舵角の関係を更新して設定し、この設定された関係に基づいて舵取り機構を駆動制御する転舵角制御手段とを含むことを特徴とする車両用操舵装置。