JP3705173B2

JP3705173B2 - 車両用操舵制御装置

Info

Publication number: JP3705173B2
Application number: JP2001281362A
Authority: JP
Inventors: 研也上沼; 宏毛利
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2021-09-17
Also published as: JP2003081111A; US6751539B2; DE10241695B4; DE10241695A1; US20030055545A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵輪を操舵する操舵機構と、運転者により操作されるステアリング操作手段と、が機械的に連結されていない、いわゆる、ステアバイワイヤ装置と呼ばれる車両用操舵制御装置の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ステアリング操作手段としては、主にステアリングホイールが用いられており、このステアリングホイールの回転運動から操舵輪の回転運動への伝達には、回転を伝えるコラムシャフトと、該コラムシャフトの回転を操舵輪の回転運動へと変換するギアもしくはリンク機構といった機械的結合が用いられてきた。しかしながら、機械的な結合を無くした場合には、車両のスペース効率が上がる等といったメリットがあるため、近年はステアリングホイールと操舵輪との間に機械的結合が無い構成の操舵装置が多く提案されている。
【０００３】
このような構成の操舵装置としては、例えば、特開平１１−７８９４７号公報に記載されているように、ステアリングホイールに回転角やトルクを検知する機構および操舵反力発生装置を設けると共に、モータ等の動力源によって操舵輪の転舵を行う機構を設けた構成が知られている。
【０００４】
一般的に、人間が車両を運転する場合、視覚のみならず、触覚情報も活用して状況に適した操作を行っている。特に操舵操作に関しては、ステアリングホイールから伝わる操舵反力が重要な情報となっており、路面インフォメーションや車両運動の状態を操舵反力の形で知り得るものである。従来の機械的結合を保った操舵装置では、ステアリングホイールには、操舵反力が機械的結合を通していわば受動的に伝えられていたが、機械的結合が無い操舵装置の場合には、ステアリングホイールに能動的に適当な操舵反力を発生させる必要がある。
【０００５】
ここで、例えば、旋回時等の比較的大きな車両挙動に伴う操舵反力については、車両にヨーレイトセンサや横加速度センサを付加する等して比較的容易に計算できる。しかし、路面の微少な凹凸等の路面インフォメーションに関しては、これが原因となる車両挙動そのものが非常に小さいため、車両挙動を計測して操舵反力を計算することは非常に困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１１−７８９４７号公報に記載されている従来の操舵装置にあっては、操舵輪の転舵を行う操舵機構に、路面からの外乱を直接計測するためのトルクセンサを設ける構成を採用しているため、操舵機構にトルクセンサを設ける構成の場合には、操舵機構の剛性が下がり、制御性が悪化する問題点がある。すなわち、軸のねじり角によりトルクを検出するトルクセンサは、入力トルクに対して軸ねじり量を確保するために、部分的に細い径の軸部を有する構成となる。
【０００７】
これを解決するための従来例としては、例えば、特開２０００−１２８００２号公報に記載されているように、剛性を損なわない位置センサからの信号に基づいて、線形な形で記述された近似式で操舵反力を計算する手法がある。しかしながら、この例では、そもそも非線形な特性を有する操舵系に対して、線形の近似式を適用していることから、必ずしも正確な路面外乱をステアリングホイールに伝えることができないという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、付加的なセンサを用いることのない路面外乱の推定により、車両挙動を引き起こさないような微小な路面凹凸等の情報を運転者に的確に伝えることができると共に、最終の操舵反力は車両挙動と路面外乱の双方に対応したとなり、的確な操舵反力を運転者に伝えることができる車両用操舵制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、操舵輪を転舵する転舵アクチュエータを有する操舵機構と、運転者により操作されるステアリング操作手段と、が機械的に連結されていない車両用操舵制御装置において、検出された転舵アクチュエータの入力と出力とに基づいて路面外乱を推定する路面外乱推定手段と、推定された路面外乱からステアリング操作手段に加えるべき操舵反力を演算する操舵反力演算手段と、を備え、
前記操舵反力演算手段は、路面外乱推定手段からの推定された路面外乱に基づいて路面外乱による第１の操舵反力を演算する第１の操舵反力演算部と、車両挙動情報に基づいて運転者に伝えるべき第２の操舵反力を演算する第２の操舵反力演算部と、第２の操舵反力から第１の操舵反力を差し引くことにより最終の操舵反力を演算する最終操舵反力演算部を有する手段であることを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
本発明にあっては、操舵機構とステアリング操作手段とが機械的に連結されていない車両用操舵制御装置において、転舵アクチュエータの入力と出力とに基づいて路面外乱を推定し、推定した路面外乱によりステアリング操作手段に加えるべき操舵反力を演算するようにしたため、付加的なセンサを用いることのない路面外乱の推定により、車両挙動を引き起こさないような微小な路面凹凸等の情報を運転者に的確に伝えることができる。
そして、操舵反力演算手段の第１の操舵反力演算部において、路面外乱推定手段からの推定された路面外乱に基づいて路面外乱による第１の操舵反力が演算され、第２の操舵反力演算部において、車両挙動情報に基づいて運転者に伝えるべき第２の操舵反力が演算され、最終操舵反力演算部において、第２の操舵反力から第１の操舵反力を差し引くことにより最終の操舵反力が演算されることで、最終の操舵反力は車両挙動と路面外乱の双方に対応したとなり、的確な操舵反力を運転者に伝えることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の車両用操舵制御装置を実現する実施の形態を、請求項１に対応する第１実施例と、請求項２に対応する第２実施例と、請求項３に対応する第３実施例とに基づいて説明する。
【００１２】
（第１実施例）
まず、構成を説明する。
図１は第１実施例の車両用操舵制御装置の全体構成を示す図であり、図中１はステアリングホイール（ステアリング操作手段）、２は操舵反力アクチュエータ、７は転舵用モータ駆動部（入力検出手段）、９は転舵用モータ（転舵アクチュエータ）、１０はステアリングギア（操舵機構）、１１はタイロッド、１２はエンコーダ（出力検出手段）、１４は外乱推定部（路面外乱推定手段）、１８は路面外乱操舵反力計算器（第１の操舵反力演算部）、２１は車両状態演算部（第２の操舵反力演算部）、２２は指令電流計算器（操舵反力制御手段）、２８は最終操舵反力計算器（最終操舵反力演算部）である。
【００１３】
前記ステアリングホイール１は、運転者が操作するステアリング操作手段であり、このステアリングホイール１を運転者が操作すると、操舵反力アクチュエータ２に内蔵されたトルクセンサ２ａによって操作トルク３（Ｔ_Ｈ）が検出され、また、同様に、操舵反力アクチュエータ２に内蔵されたエンコーダ２ｂによって運転者の操作角度４（θ_Ｈ）が検出される。
【００１４】
前記転舵用モータ駆動部７は、操作トルク３（Ｔ_Ｈ）と操作角度４（θ_Ｈ）に加えて、レイトジャイロ等によって計測された車両のヨーレイト５（γ）、加速度センサ等によって計測された車両の横加速度６（横変位ｙの二回微分値：２つの点は二回微分を表す記号）、他の車両挙動である例えば車速等の信号２４が入力される。そして、これらの入力情報に基づき転舵用モータ９に対する指令電流８（ｉ）を演算し、転舵用モータ９に対して電流を加える。また、この指令電流８（ｉ）は、外乱推定部１４にも入力されている。
【００１５】
前記転舵用モータ９は、その回転運動がラックアンドピニオン型のステアリングギア１０に加えられて、直線運動に変換され、タイロッド１１，１１を介して図外の操舵輪に伝えられる。
【００１６】
前記エンコーダ１２は、転舵用モータ９と同軸に設けられており、転舵用モータ９の出力回転角１３ａ（θ）を監視する。この出力回転角１３ａ（θ）の出力は、転舵用モータ駆動部７にフィードバックされ、角度サーボが行われる。また、このこの出力回転角１３ａ（θ）は、外乱推定部１４にも入力されている。
【００１７】
前記外乱推定部１４では、転舵用モータ９に対する指令電流８（ｉ）と、転舵用モータ９の出力回転角１３ａ（θ）が入力される。この２つの入力により路面外乱により発生する外乱トルク推定値１７ａ（外乱トルクＴ_ｄの推定値：＾は推定を表す記号）を算出する。この外乱推定部１４には、転舵用モータ９に対する指令電流８（ｉ）を入力するブロック１５と、転舵用モータ９の出力回転角１３ａ（θ）を入力するブロック１６とを有する。
【００１８】
前記車両状態演算部２１は、操作トルク３（Ｔ_Ｈ）、操作角度４（θ_Ｈ）、車両のヨーレイト５（γ）、車両の横加速度６（横変位ｙの二回微分値）、車速等の信号２４、出力回転角１３ａ（θ）が入力される。そして、これらの入力情報に基づき運転者に伝えるべき操舵反力２０（Ｔ_２）を計算する。
【００１９】
前記路面外乱操舵反力計算器１８では、外乱推定部１４からの外乱トルク推定値１７ａ（外乱トルクＴ_ｄの推定値）に対して適当なゲインＧを乗じて、路面外乱による操舵反力１９（Ｔ_１）を計算する。
【００２０】
前記最終操舵反力計算器２８では、車両状態演算部２１により計算した操舵反力２０（Ｔ_２）から、路面外乱操舵反力計算器１８により計算した操舵反力１９（Ｔ_１）を差し引くことにより、最終的な操舵反力（Ｔ_２−Ｔ_１）を計算する。
【００２１】
前記指令電流計算器２２では、最終的な操舵反力（Ｔ_２−Ｔ_１）に、操舵反力アクチュエータ２のトルク定数Ｋ_ＴＨの逆数を掛け合わせることで、操舵反力アクチュエータ２への指令電流２３（ｉ_Ｈ）を求めて、操舵反力アクチュエータ２を駆動する。
【００２２】
次に、作用を説明する。
【００２３】
［外乱推定作用］
図２は転舵用モータ９の運動方程式を基に、転舵用モータ９を簡単な形のブロック線図で表したものである。転舵用モータ９に印加される指令電流８（ｉ）は、トルク定数２４（Ｋ_Ｔ）を乗じることによりトルクＴとなり、モータ慣性Ｊの逆数２５（1/J）を乗じることにより、回転速度（θの二回微分値）となる。これをさらに二回積分することにより、出力回転角１３ａ（θ）となる。
【００２４】
一方、路面外乱が存在する場合には、図３に示すように、ブロック線図の途中に外乱トルク２６（Ｔ_ｄ）を挿入した形で表すことができる。この外乱トルク２６（Ｔ_ｄ）の存在のために、例えば、指令電流８（ｉ）に対して転舵用モータ９の出力が過不足する状況が起こる。転舵用モータ９の制御そのものは、出力たる出力回転角１３ａ（θ）をフィードバック制御することにより、指令と出力とは偏差なく行われることが一般的であるが、ここでは、フィードバック制御とは別に、指令電流８（ｉ）と出力回転角１３ａ（θ）により外乱トルク２６（Ｔ_ｄ）を推定して、運転者に伝えるべき操舵反力を生成するものである。
【００２５】
図４は転舵用モータ９に外乱推定部１４を付け加えたブロック線図を示す。外乱推定部１４には、転舵用モータ９への指令電流８（ｉ）を利用し、発生するであろうトルクを伝達関数の形で推定するブロック１５と、転舵用モータ９の出力回転角１３ａ（θ）を利用し、指令されたであろうトルクを推定するブロック１６とを設け、これらの出力の差を取ることによって外乱トルク推定値１７ａ（外乱トルクＴ_ｄの推定値）が求められる。
【００２６】
［操舵反力付加作用］
走行中、路面外乱操舵反力計算器１８において、外乱推定部１４からの外乱トルク推定値１７ａに対して適当なゲインＧを乗じて、路面外乱による操舵反力１９（Ｔ_１）が計算される。一方、車両状態演算部２１において、車両挙動に関する入力情報に基づき運転者に伝えるべき操舵反力２０（Ｔ_２）が計算される。そして、最終操舵反力計算器２８において、車両状態演算部２１により計算された操舵反力２０（Ｔ_２）から路面外乱操舵反力計算器１８により計算された操舵反力１９（Ｔ_１）を差し引くことにより、最終的な操舵反力（Ｔ_２−Ｔ_１）が計算される。さらに、指令電流計算器２２において、最終的な操舵反力（Ｔ_２−Ｔ_１）に、操舵反力アクチュエータ２のトルク定数Ｋ_ＴＨの逆数を掛け合わせることで、操舵反力アクチュエータ２への指令電流２３（ｉ_Ｈ）が求められ、操舵反力アクチュエータ２が駆動される。
【００２７】
次に、効果を説明する。
以上説明してきたように、第１実施例の車両用操舵制御装置にあっては、下記に列挙する効果が得られる。
【００２８】
(1) 転舵用モータ９の入力と出力とに基づいて路面外乱２６（Ｔ_ｄ）を推定し、外乱トルク推定値１７ａ（外乱トルクＴ_ｄの推定値）によりステアリングホイール１に加えるべき操舵反力Ｔ_１を演算するようにしたため、付加的なセンサを用いることのない路面外乱Ｔ_ｄの推定により、車両挙動を引き起こさないような微小な路面凹凸等の情報を運転者に的確に伝えることができる。
すなわち、路面外乱については、そもそも操舵輪を操舵する転舵用モータ９の制御に必要なセンサであるエンコーダ１２のみを用いて推定しているため、システムの剛性低下や信頼性低下が避けられるものとなっている。
【００２９】
(2) 操舵反力演算手段は、路面外乱推定部１４からの推定された路面外乱Ｔ_ｄに基づいて路面外乱Ｔ_ｄによる操舵反力Ｔ_１を演算する路面外乱操舵反力計算器１８と、車両挙動情報に基づいて運転者に伝えるべき操舵反力Ｔ_２を演算する車両状態演算部２１と、操舵反力Ｔ_２から操舵反力Ｔ_１を差し引くことにより最終の操舵反力（Ｔ_２−Ｔ_１）を演算する最終操舵反力計算器２８を有する手段としているため、最終の操舵反力（Ｔ_２−Ｔ_１）は車両挙動と路面外乱Ｔ_ｄの双方に対応したとなり、的確な操舵反力を運転者に伝えることができる。
【００３０】
（第２実施例）
第２実施例は、路面外乱推定部１４を、転舵用モータ駆動部７からの指令電流８（ｉ）と、エンコーダ１２からの出力回転角１３ａ（θ）との２つの信号のうち、出力回転角１３ａ（θ）に関してのみ一次遅れフィルタ２７（フィルタ）を通して入力するようにした例である。
【００３１】
すなわち、図５は転舵用モータ９に外乱推定部１４を付け加えた第２実施例のブロック線図を示すもので、基本的には、第１実施例（図４）と同様に、外乱推定を行うものであるが、出力回転角１３ａ（θ）がブロック１６に伝達される経路の途中に一次遅れフィルタ２７を挿入し、ブロック１６の入力として、一次遅れフィルタ２７を通過した出力回転角１３ａ（θ）を用いている。なお、他の構成は第１実施例と同様であるので、図示、並びに、説明を省略する。
【００３２】
第２実施例の作用効果を説明すると、運転者が行う操舵操作の極初期においては、転舵用モータ９が出力回転角１３ａ（θ）を発生させるが、この操舵に伴う車両挙動はやや遅れて発生するため、車両挙動や第１実施例の外乱推定部１４によっては操舵反力は演算されず、操舵反力が希薄となってしまい、運転者に十分な情報が与えられない。
【００３３】
しかし、図５に示すように、路面外乱推定部１４を、エンコーダ１２からの出力回転角１３ａ（θ）に関してのみ一次遅れフィルタ２７を通して入力するようにしたため、僅かに遅れを持ってブロック１６に出力回転角１３ａ（θ）が入力されることになり、操舵操作の初期においては外乱をやや大きく見積もることとなるが、結果的に運転者に対しては、より現実的な操舵反力を伝えることができ、車両のステアリング操作性向上が期待できる。
【００３４】
（第３実施例）
第３実施例は、路面外乱操舵反力計算器１８を、路面外乱推定部１４から二次のフィルタ２９（フィルタ）を通した外乱トルク推定値１７ｂ（Ｔ_ｄ’の推定値）を入力するようにした例である。
【００３５】
すなわち、図６は転舵用モータ９に外乱推定部１４を付け加えた第２実施例のブロック線図を示すもので、基本的には、第１実施例（図４）と同様に、外乱推定を行うものであるが、路面外乱推定部１４に二次のフィルタ２９を追加し、外乱トルク推定値１７ａ（Ｔ_ｄの推定値）に対して二次のフィルタ２９を掛けて新たな外乱トルク推定値１７ｂ（Ｔ_ｄ’の推定値）を出力するようにしている。なお、他の構成は第１実施例と同様であるので、図示、並びに、説明を省略する。
【００３６】
第３実施例の作用効果を説明すると、上記のように、二次のフィルタ２９を掛けることにより、外乱トルク推定値の周波数特性を適宜コントロールすることができ、特に、高周波数領域で推定値のゲインが小さくなる効果がある。この構成を採用することにより、例えば、悪路を走行する際の不必要なステアリングホイール１の振動を低減することができ、運転者の必要以上の路面インフォメーションが伝わらない。したがって、運転者は的確なステアリング操作ができる上、さらに快適に運転することができるようになる。
【００３７】
（他の実施例）
以上、本発明の車両用操舵制御装置を第１実施例〜第３実施例に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これら実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の車両用操舵制御装置を示す全体構成図である。
【図２】第１実施例装置における転舵用モータの基本的なブロック線図である。
【図３】第１実施例装置における路面から外乱が加わった際の転舵用モータのブロック線図である。
【図４】第１実施例装置における転舵用モータおよび路面外乱推定部のブロック線図である。
【図５】第２実施例の車両用操舵制御装置における転舵用モータおよび路面外乱推定部のブロック線図である。
【図６】第３実施例の車両用操舵制御装置における転舵用モータおよび路面外乱推定部のブロック線図である。
【符号の説明】
１ステアリングホイール（ステアリング操作手段）
２操舵反力アクチュエータ
７転舵用モータ駆動部（入力検出手段）
９転舵用モータ（転舵アクチュエータ）
１０ステアリングギア（操舵機構）
１１タイロッド
１２エンコーダ（出力検出手段）
１４外乱推定部（路面外乱推定手段）
１８路面外乱操舵反力計算器（第１の操舵反力演算部）
２１車両状態演算部（第２の操舵反力演算部）
２２指令電流計算器（操舵反力制御手段）
２７一次遅れフィルタ（フィルタ）
２８最終操舵反力計算器（最終操舵反力演算部）
２９二次のフィルタ（フィルタ）

Claims

操舵輪を転舵する転舵アクチュエータを有する操舵機構と、運転者により操作されるステアリング操作手段と、が機械的に連結されていない車両用操舵制御装置において、
前記ステアリング操作手段に設けられ、操舵輪の転舵に応じた操舵反力を発生させる操舵反力アクチュエータと、
前記転舵アクチュエータへの入力を検出する入力検出手段と、
前記転舵アクチュエータからの出力を検出する出力検出手段と、
検出された転舵アクチュエータの入力と出力とに基づいて路面外乱を推定する路面外乱推定手段と、
推定された路面外乱から前記ステアリング操作手段に加えるべき操舵反力を演算する操舵反力演算手段と、
前記操舵反力演算手段により演算された操舵反力演算値を得る指令を前記操舵反力アクチュエータに出力する操舵反力制御手段と、
を備え、
前記操舵反力演算手段は、路面外乱推定手段からの推定された路面外乱に基づいて路面外乱による第１の操舵反力を演算する第１の操舵反力演算部と、車両挙動情報に基づいて運転者に伝えるべき第２の操舵反力を演算する第２の操舵反力演算部と、第２の操舵反力から第１の操舵反力を差し引くことにより最終の操舵反力を演算する最終操舵反力演算部を有する手段であることを特徴とする車両用操舵制御装置。
請求項１に記載の車両用操舵制御装置において、
前記路面外乱推定手段は、前記入力検出手段からの入力検出信号と、前記出力検出手段からの出力検出信号との２つの信号のうち、出力検出信号に関してのみフィルタを通して入力することを特徴とする車両用操舵制御装置。
請求項１または請求項２に記載の車両用操舵制御装置において、
前記操舵反力演算手段は、前記路面外乱推定手段からフィルタを通した推定路面外乱信号を入力することを特徴とする車両用操舵制御装置。