JP3715441B2 - 車両の操舵装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステアリングホイール等の操作部材の操作に基づいて駆動されるアクチュエータの出力に応じて、車輪の転舵角が変化する車両の操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
カーブ走行時における速度超過やドライバーの運転ミス等により、車両がスピンやドリフトを起こした場合、ドライバーの意図に沿って車両を操舵することができなくなる。
【０００３】
そのようなドリフトやスピン等の不安定な車両挙動を防ぐため、車両の制動力や駆動力を制御する技術が開発されている。
【０００４】
しかし、そのような従来技術は、グリップ力が飽和する車両の運動限界付近での車両挙動の安定化を図るものである。その運動限界付近ではタイヤの路面に対するグリップ力に余裕がないため、車両挙動の制御に限界がある。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決することのできる車両の操舵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】
本発明は、操作部材の操作に基づき駆動されるアクチュエータの出力に応じて、車輪の転舵角が変化する車両の操舵装置において、その車両のヨーレートに相関する変量として少なくとも操作部材の操作入力値と車速を検出する手段と、その車両のヨーレートを検出する手段と、そのアクチュエータの出力値を検出する手段と、その変量に応じて定められる目標ヨーレートから検出ヨーレートを差し引いた偏差をなくすように前記アクチュエータの目標出力値を演算する手段と、その目標出力値と検出出力値の偏差をなくすように、前記アクチュエータを制御する制御装置とを備えることを特徴とする。
本発明の構成によれば、車両のヨーレートに相関する変量として少なくとも操作部材の操作入力値と車速を検出することで、車両における挙動を安定化する上で規範となる目標ヨーレートを定めることができる。その目標ヨーレートから実際の検出ヨーレートを差し引いた偏差を打ち消すように操舵用アクチュエータを制御することで、車両が運動限界近傍に達する前に車両挙動の安定化を図ることができる。その車両のヨーレートに相関する変量に対する目標ヨーレートの関係は予め定めておけばよい。
【００１０】
前記操作入力値が操作部材の操作角度に対応し、その操作角度に応じて転舵角度が変化するように、その操作部材と車輪がステアリングシャフトを介して機械的に連結され、前記アクチュエータにより、ドライバーによって操舵のために付与される操作トルクに付加されるトルクが付与され、前記アクチュエータの出力値として、その付加トルクが検出され、前記演算手段により、その目標ヨーレートを充足する走行軌跡の接線方向に車両が進行するように、前記目標出力値として目標付加トルクが演算されるのが好ましい。
これにより、操作部材と車輪が機械的に連結された車両に本発明を適用し、ドライバーによって付与される操作トルクに付加されるトルクを発生するアクチュエータを制御することで、車両挙動の安定化を図ることができる。すなわち、その目標付加トルクから検出付加トルクを差し引いた偏差を打ち消すことで、ドライバーによる操舵を補助するトルクあるいは抑制するトルクをステアリングシャフトに作用させ、車両進行方向を制御し、車両挙動を安定化させることができる。
【００１１】
その車輪の転舵角を検出する手段と、その操作トルクを検出する手段とを備え、前記演算手段により、前記変量と目標ヨーレートとの間の予め定められ記憶された関係、その目標ヨーレートから検出ヨーレートを差し引いた偏差と目標転舵角との間の予め定められ記憶された関係、その目標転舵角から検出転舵角を差し引いた偏差と目標操舵トルクとの間の予め定められ記憶された関係、検出変量、検出ヨーレート、及び検出転舵角に基づき目標操舵トルクが演算され、その目標操舵トルクから検出操作トルクを差し引いた目標付加トルクから検出付加トルクを差し引いた偏差に基づき前記アクチュエータが制御されるのが好ましい。
これにより、目標ヨーレートから検出ヨーレートを差し引いた偏差を打ち消すように目標転舵角に対応する目標操舵トルクを求め、その目標操舵トルクから検出操作トルクを差し引くことで目標付加トルクを求めることができる。その目標付加トルクから検出付加トルクを差し引いた偏差をなくすようにアクチュエータを制御することで、その目標操舵トルクに応じて車輪を転舵させることができる。これにより、車両の進行方向が、目標ヨーレートを充足する走行軌跡の接線方向になる。すなわち、その付加トルクを車両挙動を安定化する上で理想的な値にできる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図７を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１に示す車両の操舵装置においては、ステアリングホイール（操作部材）２０１の回転がステアリングシャフト２５１、ユニバーサルジョイント２５２を介してピニオン２５３に伝達されることで、そのピニオン２５３に噛み合うラック２５４が車両の幅方向に移動する。そのラック２５４の動きは、タイロッド２０８とナックルアーム２０９を介して車輪２０４に伝達される。これにより、そのステアリングホイール２０１の操作角度が操作入力値に対応し、その操作角度に応じて転舵角度が変化するように、そのステアリングホイール２０１と車輪２０４がステアリングシャフト２５１を介して機械的に連結されている。
【００３３】
そのステアリングシャフト２５１に、そのステアリングホイール２０１の回転操作角δｈを検出する角度センサ２１１と、ステアリングシャフト２５１により伝達される操作トルクＴａを検出するトルクセンサ２１２が設けられている。
そのステアリングシャフト２５１は、入力シャフト２５１ａと出力シャフト２５１ｂを弾性的に相対回転可能に連結することで構成され、そのトルクセンサ２１２は、両シャフト２５１ａ、２５１ｂの相対回転角に対応する操作トルクＴａを検出する。
また、その出力シャフト２５１ｂの外周にベベルギヤ２５５が設けられ、そのベベルギヤ２５５に噛み合うベベルギア２５６がアクチュエータ２０２により回転駆動可能とされている。これにより、そのアクチュエータ２０２は、ドライバーによって操舵のために付与される操作トルクに付加される付加トルクＴｂを付与する。
その操作トルクＴａと付加トルクＴｂの和が、車輪２０４の転舵角を変化させるための操舵トルクに相当する。これにより、ステアリングホイール２０１の操作に基づき駆動されるアクチュエータ２０２の出力に応じて車輪２０４の転舵角が変化する。そのアクチュエータ２０２は、例えば公知のブラシレスモータ等の電動モータにより構成できる。
【００３４】
そのアクチュエータ２０２の出力値として、その付加トルクＴｂが検出される。その付加トルクＴｂの検出センサ２５９として、その付加トルクＴｂに対応するアクチュエータ２０２の負荷電流の検出器が設けられている。また、そのラック２５４の作動量に対応する車輪２０４の転舵角δを検出するポテンショメータにより構成される転舵角センサ２１３が設けられている。
【００３５】
その角度センサ２１１、トルクセンサ２１２、転舵角センサ２１３、付加トルクＴｂの検出センサ２５９は、コンピュータにより構成される制御装置２２０に接続される。その制御装置２２０に、車両のヨーレートγを検出するヨーレートセンサ２１６と、車速ｖを検出する速度センサ２１４が接続されている。これにより、そのヨーレートγに相関する変量として、上記操作角δｈと車速ｖが検出される。なお、その変量として操作角δｈと車速ｖ以外に、例えば車輪速を検出するセンサを制御装置２２０に接続してもよい。
【００３６】
その制御装置２２０は、駆動回路２２２を介して上記アクチュエータ２０２を制御する。図２は、車速が零でない場合における制御装置２２０の制御ブロック線図を示す。
【００３７】
図２において、γはヨーレートの検出値、γ^* はヨーレートの目標値、δは転舵角の検出値、δ^* は転舵角の目標値、δｈは操作角の検出値、ｖは車速の検出値、Ｔａは操作トルクの検出値、Ｔｏ^* は操舵トルクの目標値、Ｔｂは付加トルクの検出値、Ｔｂ^* は付加トルクの目標値、ｉ^* はアクチュエータ２０２の駆動電流の目標値を示す。
【００３８】
図３において矢印４０で示す方向に車速ｖで旋回する車両１００に、矢印４１で示す方向に作用する横加速度Ｇｙと矢印４２で示す方向に作用するヨーレートγとの間には、Ｇｙ＝γ・ｖの関係が成立し、横加速度Ｇｙは操作角δｈに対応することから、Ｋ６をゲインとして、γ^* ・ｖ＝Ｋ６・δｈの関係が成立し、そのゲインＫ６は、最適な制御を行えるように調整される。また、そのゲインＫ６は車速ｖの関数とされている。本実施形態では、図４に示すように、目標ヨーレートγ ^* と車速ｖの積の最大値γ ^* ・ｖｍａｘは、一定車速ｖａ未満までは車速ｖに応じて増加し、一定車速ｖａ以上では一定とされる。すなわち、制御装置２２０によって、操作角δｈと車速ｖと目標ヨーレートγ^* との間の予め定められた関係が記憶され、操作角δｈと車速ｖに応じて目標ヨーレートγ^* が定められる。
【００３９】
Ｇ６は、目標ヨーレートγ^* と車速ｖの積γ^* ・ｖから検出ヨーレートγと検出車速ｖの積γ・ｖを差し引いた偏差に対する目標転舵角δ^* の伝達関数である。すなわち、δ^* ＝Ｇ６・ｖ・（γ^* −γ）の関係より、その目標ヨーレートγ^* と検出ヨーレートγの偏差を打ち消すように目標転舵角δ^* が求められる。この伝達関数Ｇ６は、例えばＰＩ制御を行う場合、ゲインをｋａ、ラプラス演算子をｓ、時定数をｔａとして、Ｇ６＝ｋａ〔１＋１／（ｔａ・ｓ）〕になる。そのゲインｋａ及び時定数ｔａは最適な制御を行えるように調整される。すなわち、制御装置２２０によって、目標ヨーレートγ^* から検出ヨーレートγを差し引いた偏差と車速ｖと目標転舵角δ^* との間の予め定められた関係が記憶される。
【００４０】
Ｇ７は、目標転舵角δ^* から検出転舵角δを差し引いた偏差に対する目標操舵トルクＴｏ^* の伝達関数である。すなわち、Ｔｏ^* ＝Ｇ７・（δ^* −δ）の関係より、その目標転舵角δ^* と検出転舵角δの偏差を打ち消すように目標操舵トルクＴｏ^* が求められる。この伝達関数Ｇ７は、例えばＰＩ制御を行う場合、ゲインをｋｂ、ラプラス演算子をｓ、時定数をｔｂとして、Ｇ７＝ｋｂ〔１＋１／（ｔｂ・ｓ）〕になる。そのゲインｋｂ及び時定数ｔｂは最適な制御を行えるように調整される。すなわち、制御装置２２０によって、目標転舵角δ^* から検出転舵角δを差し引いた偏差と目標操舵トルクＴｏ^* との間の予め定められた関係が記憶される。
制御装置２２０は、上記操作角δｈと車速ｖと目標ヨーレートγ^* との間の関係、その目標ヨーレートγ^* から検出ヨーレートγを差し引いた偏差と車速ｖと目標転舵角δ^* との間の関係、その目標転舵角δ^* から検出転舵角δを差し引いた偏差と目標操舵トルクＴｏ^* との間の関係、検出操作角δｈ、検出車速ｖ、検出ヨーレートγ、および検出転舵角δに基づき、目標操舵トルクＴｏ^* を演算する。すなわち、目標ヨーレートγ^* から検出ヨーレートγを差し引いた偏差をなくすように、目標操舵トルクＴｏ^* が演算される。
【００４１】
Ｇ８は、目標操舵トルクＴｏ^* から検出操作トルクＴａを差し引いた目標付加トルクＴｂ^* から検出付加トルクＴｂを差し引いた偏差に対するアクチュエータ２０２の目標駆動電流ｉ^* の伝達関数である。すなわち、ｉ^* ＝Ｇ８・（Ｔｏ^* −Ｔａ−Ｔｂ）の関係よりアクチュエータ２０２の目標駆動電流ｉ^* が求められる。この伝達関数Ｇ８は、例えばＰＩ制御を行う場合、ゲインをｋｃ、ラプラス演算子をｓ、時定数をｔｃとして、Ｇ８＝ｋｃ〔１＋１／（ｔｃ・ｓ）〕になる。そのゲインｋｃおよび時定数ｔｃは最適な制御を行えるように調整される。すなわち、制御装置２２０によって、目標操舵トルクＴｏ^* と検出操作トルクＴａと検出付加トルクＴｂと目標駆動電流ｉ^* との間の予め定められた関係が記憶される。その関係と上記演算された目標操舵トルクＴｏ^* と検出操作トルクＴａと検出付加トルクＴｂから目標駆動電流ｉ^* が演算され、その目標駆動電流ｉ^* に応じてアクチュエータ２０２が駆動される。これにより、その目標操舵トルクＴｏ^* から検出操作トルクＴａを差し引いた目標付加トルクＴｂ^* から検出付加トルクＴｂを差し引いた偏差をなくすように、アクチュエータ２０２が制御される。
【００４２】
図５は、車速が零の場合における制御装置２２０の制御ブロック線図を示す。この場合、車両のヨーレートは生じないので、Ｋ７を検出操作角δｈに対する目標転舵角δ^* のゲインとして、δ^* ＝Ｋ７・δｈの関係より目標転舵角δ^* が求められる。このゲインＫ７は、最適な制御を行えるように調整される。他は走行中の場合と同様である。
【００４３】
図６のフローチャートを参照して上記制御装置２２０による制御手順を説明する。
まず、各センサによる車速ｖ、ヨーレートγ、転舵角δ、操作角δｈ、操作トルクＴａ、付加トルクＴｂの検出データが読み込まれる（ステップ１）。
【００４４】
次に、車速ｖが零か否かが判断される（ステップ２）。
車速が零でない場合、操作角δｈと車速ｖと目標ヨーレートγ^* との間の関係、その目標ヨーレートγ^* から検出ヨーレートγを差し引いた偏差と車速ｖと目標転舵角δ^* との間の関係、その目標転舵角δ^* から検出転舵角δを差し引いた偏差と目標操舵トルクＴｏ^* との間の関係、検出操作角δｈ、検出車速ｖ、検出ヨーレートγ、および検出転舵角δに基づき、目標操舵トルクＴｏ^* が求められる（ステップ３）。
車速が零である場合、検出操作角δｈから目標転舵角δ^* が求められ（ステップ４）、その目標転舵角δ^* から検出転舵角δを差し引いた偏差と目標操舵トルクＴｏ^* との間の関係、検出操作角δｈ、および検出転舵角δに基づき、目標操舵トルクＴｏ^* が求められる（ステップ５）。
【００４５】
次に、目標操舵トルクＴｏ^* から検出操作トルクＴａと検出付加トルクＴｂを差し引いた偏差が零になるように、アクチュエータ２０２の目標駆動電流ｉ^* が求められる（ステップ６）。その目標駆動電流ｉ^* が印加されることでアクチュエータ２０２が駆動される。
次に、制御を終了するか否かを判断し（ステップ７）、終了しない場合はステップ１に戻る。その終了判断は、例えば車両の始動用キースイッチがオンか否かにより判断できる。
【００４６】
上記構成によれば、ステアリングホイール２０１と車輪２０４が機械的に連結された車両において、ドライバーによって付与される操作トルクＴａに付加されるトルクＴｂを発生するアクチュエータ２０２を制御することで、車両挙動の安定化を図ることができる。すなわち、ドライバーによる操舵を補助するトルクあるいは抑制するトルクをステアリングシャフト２５１に作用させることで、その目標付加トルクＴｂ^* から検出付加トルクＴｂを差し引いた偏差が打ち消される。そのため、操作角δｈと車速ｖに応じた目標ヨーレートγ^* から検出ヨーレートγを差し引いた偏差を打ち消すのに必要な目標転舵角δ^* に対応する目標操舵トルクＴｏ^* を、検出操作角δｈと検出車速ｖと検出ヨーレートγと検出転舵角δから求め、その目標操舵トルクＴｏ^* から検出操作トルクＴａを差し引くことで目標付加トルクＴｂ^* を求める。その目標付加トルクＴｂ^* から検出付加トルクＴｂを差し引いた偏差をなくすようにアクチュエータ２０２を制御することで、その目標操舵トルクＴｏ^* に応じて車輪２０４を転舵させる。これによって、その付加トルクＴｂの値を、車両の進行方向が目標ヨーレートγ^* を充足する走行軌跡の接線方向になるように、車両挙動を安定化する上で理想的な値にできる。すなわち、図７において破線１０１が目標ヨーレートγ ^* を充足する車両１００の走行軌跡とした場合、矢印１０２で示す走行軌跡の接線方向が、その目標転舵角δ ^* での車両１００の進行方向になる。
【００４７】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、検出操作角δｈに代えて検出操作トルクＴａが操作入力値に対応するものとしてもよく、この場合、上記実施形態ではγ^* ・ｖ＝Ｋ６・Ｔａの関係よりγ^* ・ｖを求めるようにすればよい。これにより、操作部材に作用させる操作トルクに応じて転舵角を変化させる場合に、本発明を適用して車両挙動の安定化を図ることができる。
また、車両のヨーレートを検出する手段は、ヨーレートセンサに限定されず、例えば、車両の横加速度を車速で除算してヨーレートを検出する手段を用いることができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、ヨーレートによる車両挙動の不安定化を防止し、車両挙動を確実に安定化できる車両の操舵装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の操舵装置の構成説明図
【図２】本発明の実施形態の操舵装置における車両走行時の制御ブロック線図
【図３】本発明の実施形態の操舵装置の作用説明図
【図４】本発明の実施形態の操舵装置における車速と、目標ヨーレートと車速の積の最大値との関係を示す図
【図５】本発明の実施形態の操舵装置における車両停車時の制御ブロック線図
【図６】本発明の実施形態の操舵装置による制御手順を示すフローチャート
【図７】本発明の実施形態の操舵装置の作用説明図
【符号の説明】
２０１ ステアリングホイール
２０２ アクチュエータ
２０４ 車輪
２１１ 角度センサ（操作部材の操作入力値検出手段）
２１３ 転舵角センサ（アクチュエータの出力値検出手段）
２１４ 速度センサ
２１６ ヨーレートセンサ
２２０ 制御装置
２１２ 操作トルクセンサ（操作部材の操作入力値検出手段）
２５１ ステアリングシャフト
２５９ 付加トルクセンサ

Claims (1)

1. 操作部材の操作に基づき駆動されるアクチュエータの出力に応じて、車輪の転舵角が変化する車両の操舵装置において、
   その車両のヨーレートに相関する変量として少なくとも操作部材の操作入力値と車速を検出する検出手段と、
   その車両のヨーレートを検出する手段と、
   そのアクチュエータの出力値を検出する手段と、
   その変量に応じて定められる目標ヨーレートから検出ヨーレートを差し引いた偏差をなくすように前記アクチュエータの目標出力値を演算する手段と、
   その車輪の転舵角を検出する手段と、
   その目標出力値と検出出力値の偏差をなくすように、前記アクチュエータを制御する制御装置とを備え、
   前記操作入力値が操作部材の操作角度に対応し、
   その操作角度に応じて転舵角度が変化するように、その操作部材と車輪がステアリングシャフトを介して機械的に連結され、
   前記アクチュエータにより、ドライバーによって操舵のために付与される操作トルクに付加されるトルクが付与され、
   その操作トルクを検出する手段を備え、
   前記アクチュエータの出力値として、その付加トルクが検出され、
   前記演算手段により、その目標ヨーレートを充足する走行軌跡の接線方向に車両が進行するように、前記変量と目標ヨーレートとの間の予め定められ記憶された関係、その目標ヨーレートから検出ヨーレートを差し引いた偏差と目標転舵角との間の予め定められ記憶された関係、その目標転舵角から検出転舵角を差し引いた偏差と目標操舵トルクとの間の予め定められ記憶された関係、前記検出手段により検出される変量、検出ヨーレート、及び検出転舵角に基づき目標操舵トルクが演算され、その目標操舵トルクから検出操作トルクを差し引いた目標付加トルクが前記目標出力値に対応する値として演算され、
   その目標付加トルクから検出付加トルクを差し引いた偏差に基づき前記アクチュエータが制御されることを特徴とする車両の操舵装置。

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