JP3882306B2 - 運転操作装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車など走行機械の運転装置に係り、更には、操舵装置として、いわゆるジョイスティックを備えた運転操作装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車など走行機械における操舵装置としてはステアリングホイールが用いられているが、例えば特開平８−３４３５３号公報に開示されている車両用操舵装置のように、シートアームレストやインスツルメントパネルなど車体内装部品に一端を回転自由に支持された棒状部材を運転者が操作した角度を入力値とする、いわゆるジョイスティックと呼ばれる入力手段を操舵などの操作手段として用いる運転操作装置が知られている。
ジョイスティックは、運転者の片手で操作可能であり、ステアリングホイールに比べて操作量が小さくて良いため、運転者の操作負荷が大幅に低減できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のジョイスティックを用いた運転操作装置にあっては、ジョイスティックを運転者の身体中心軸に対して内側へ傾ける操作（以後、内側操作と呼ぶ）と、外側へ傾ける操作（以後、外側操作と呼ぶ）とで、操作入力に対する出力の特性が全く対称となっているため、後述するような人間の上肢構造上の特徴から内側操作よりも外側操作の方が操作性が悪い。
【０００４】
一般に人間の上肢では、一対の屈筋と伸筋とによって関節を曲げ伸ばししており、手首関節は手根屈筋と手根伸筋が、肘関節では二頭筋と三頭筋がそれぞれ屈筋と伸筋の役割を担う。屈筋と伸筋では、屈筋の方が筋力を出しやすいため、曲げる方向の方が随意的に動かすことができる。
【０００５】
ジョイスティックを握った状態は、肘をほぼ一定の角度に固定しながら、手首を曲げる動作と、肘を支点として前腕部全体を内側から外側へ回転させる動作の複合動作となる。
【０００６】
図１２に示す筋肉のうち、内側操作の方向への動作に関与する筋肉は、主に手根屈筋、二頭筋、三頭筋で、外側操作の方向への動作に関与する筋肉は、主に手根伸筋、三頭筋であるが、外側操作の場合、三頭筋はほとんど使われない。つまり、内側操作の方が、より大きな筋力を発生可能な筋肉が関与する。
【０００７】
また、ジョイスティックと手の接触部分は、内側操作では手のひらと母指以外の４本の指が接触しているのに対し、外側操作の場合は母指内側部分のみに集中しており、長時間の操作を継続すると、母指を支える運動筋が疲労しやすい。
【０００８】
従って、内側操作と外側操作を同等の操作特性にしておくと、外側操作の方が、内側操作よりも、操作速度が遅かったり、操作量が不足したりする可能性があった。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、車両進行方向に対して、左右のどちらの方向への操作に対しても同等の操作負荷を運転者に与えることで、安定した操作性を実現可能な運転操作装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、既定範囲内の角度に枢動可能なジョイスティックと、該ジョイスティックに対する運転者の操作量を検出する操作量検出手段と、車速、横加速度、ヨー角速度など車両の走行状態を検出する車両走行状態検出手段とを有し、前記操作量検出手段で検出された操作量と、前記車両走行状態検出手段で検出された車両状態に応じて、車両の操舵輪を操舵する操舵機構への操舵指令値を出力する制御手段とを有する運転操作装置において、前記ジョイスティックを操作する側の腕から、運転者の身体中心へ向かう方向への操作よりも、身体中心から離れる方向への操作の方が、操作量または操作力が少なくなるよう操作特性を変化させる操作特性変更手段を有することを特徴とするものである。
【００１１】
この請求項１の発明によれば、運転者の身体中心から離れる側の操作であっても、運転者の身体中心へ向かう操作と同等の操作負荷で操作可能となるので、車両の操縦安定性が向上するとともに、長時間の運転においても局所的な疲労を低減できる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の運転操作装置において、前記操作特性変更手段は、前記制御装置で前記操舵機構への操舵角指令値を算出する際に、操作量に対する操舵角の比率を、ジョイスティック操作方向が運転者の身体中心へ向かう方向への操作よりも、運転者の身体中心から離れる方向への操作の方が大きくなるように設定されていることを特徴とするものである。
【００１３】
この請求項２の発明によれば、運転者の身体中心へ向かう側の操作よりも、身体中心から離れる側の操作の方が、少ない操作量で、同等の操舵角を出力できるので、運転者の身体中心から離れる側の操作であっても、身体中心へ向かう側の操作と同等の操作応答性を実現できる。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の運転操作装置において、前記操作特性変更手段は、ジョイスティック操作方向が運転者の身体中心へ向かう方向への操作時には、スティック下端を支点とした円弧状の軌跡を描き、ジョイスティック操作方向が運転者の身体中心から離れる方向への操作時には、スティック下端が手部の動きに連動して斜め下方へ平行移動する機構を設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
この請求項３の発明によれば、運転者の身体中心から離れる側の操作が、筋力を必要としない斜め下方への平行移動となるため、運転者の操作負荷を大幅に低減可能である。
【００１６】
さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の運転操作装置において、前記操作特性変更手段は、ジョイスティック操作方向が運転者の身体中心へ向かう方向への操作の限界角度と身体中心から離れる方向への操作の限界角度との中立角度を、ジョイスティックの中立角度となるように、無操作時のジョイスティック軸角度を傾斜させることを特徴とするものである。
【００１７】
この請求項４の発明によれば、運転者の身体中心から離れる側の操作も、ジョイスティックの中立角度を身体中心に向かう側へ傾けることによって、筋力の出にくい伸筋を使わずに済むので、身体中心へ向かう側と同じ筋肉を使う動作となり、操作負荷を低減することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による運転操作装置の実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明による運転操作装置の第１の実施の形態を示す基本構成図である。
まず、図１を用いて構成を説明する。
１は、本発明の運転操作装置を制御する制御手段であり、後述する操舵角検出手段４、車速検出手段６、車輪速度検出手段７、横加速度検出手段８、ヨー角速度検出手段９からの入力信号から、最適な操舵量及び操舵反力を決定し、ステアリング駆動手段２、操舵反力発生手段５へ制御信号を出力する。
【００２０】
２は、ステアリング駆動手段であり、車両の転舵輪を転舵するピニオンギア１１と同軸上に取り付けられた減速ギアを駆動する駆動モータと該モータを駆動する駆動回路とからなる。制御装置１からの転舵指令値に相当する電圧値を駆動回路が受信し、モータを駆動すると、該転舵用モータの回転がピニオンギア１１と勘合するラック軸と連結したタイロッド１２を介して直線運動に変換され、タイロッド１２の先端両端に契合された一対のナックルアーム１３，１４によって前輪をキングピン１５，１６のまわりの回転として転舵する。
【００２１】
３は、ジョイスティックであり、乗員の操舵操作の入力手段であり、車体内装部品に一端を回転自由に鉛直状態を中立位置として支持された棒状部材である。なお、本実施の形態では、運転者の右手で操作しやすいように、操作する乗員身体の鉛直中心面に対して右側にジョイスティックが位置する場合について述べる。ただし、以後説明する事項は全て、左右を入れ換えるだけで左手で操作する位置にジョイスティックを設置する場合にも適用できる。
なお、符号１７はジョイスティックレバー部である。
【００２２】
４は、乗員がジョイスティックを介して入力する操舵量を検出するための操舵角検出手段である角度センサであり、制御手段１が既定のサンプリング時間毎に、本センサの出力値を入力することによって、現時点の操舵量を認識する。
【００２３】
５は、ジョイスティックを介して運転者へ操舵反力を付与するための操舵反力発生手段で、ジョイスティックのスティック軸に連結された電動モータとモータ駆動回路からなり、制御手段１から送信される電力に応じたトルクを発生する。
【００２４】
６，７，８，９は、車両の走行速度を検出するための車速検出手段、各車輪の回転速度を検出する車輪速度検出手段、車両に作用する横加速度を検出する横加速度検出手段、及び、車両のヨー角速度を検出するヨー角速度検出手段であり、各検出信号を制御手段１へ出力し、制御手段１で変換することにより車速、横加速度、ヨー角速度を認識する。
【００２５】
以上の構成に基づく第１の実施の形態の動作を、図２のフローチャートに従って説明する。
制御手段１は、車両の進行方向を決定するための操舵割り込みルーチンを開始すると、まずステップＳ２０１で、各検出手段から車両の走行状態を入力する。すなわち、車速検出手段６、横加速度検出手段８、ヨー角速度検出手段９、操舵角検出手段４の入力値を順に、車速Ｖｃａｒ、横加速度Ｇ、ヨー角速度ｒ、操舵角θとして読み込む。
【００２６】
ステップＳ２０２では、操舵角θから、基準目標舵角φ０を算出する。算出には、図３の関係を用いる。すなわち、操舵角θが大きいほど目標舵角αが大きくなる略２次曲線の関係を用いる。ただし、右操舵か左操舵かによって、曲線の急峻度が変化するように設定する。これは、前述したように右操作の場合の方が、左操作に比べてジョイスティックを倒しにくいため、同じ操作量では、右操舵の方が大きく転舵されるように設定することにより、右操作の操作量を軽減するためのものである。また、操舵角が大きいほど目標舵角を略２次曲線の非線形的に大きくするのは、操舵角が大きい位置ほど人間が期待する旋回性の期待値が大きくなるからである。
【００２７】
次にステップＳ２０３では、車速Ｖｃａｒから、車速による目標舵角の補正係数φｖを算出する。算出には、図４の関係を用いる。すなわち、車速Ｖｃａｒが高いほど舵角は小さくなる関係に設定する。これは、高速ほど伝達比を小さくして高速安定性を重視し、低速では伝達比を大きくして車庫入れなどの取り回し性能の向上を狙っている。
【００２８】
ステップＳ２０４では、ステップＳ２０２，Ｓ２０３で算出された基準目標舵角φ０と補正係数φｖから、目標舵角φを
φ＝φｖ×φ０
として算出する。
【００２９】
次にステップＳ２０５では、操舵反力の基準目標値ＲＦ０を、図５の関係から算出する。すなわち、目標の値が大きくなるほど反力の大きさが大きくなる関係とする。ここでは、操舵を右方向に向かって切る場合と、左方向に切る場合とで、ヒステリシスを持たせ、逆向きに切ろうとする場合の反力を大きくし、操縦安定性を向上させることを狙っている。また、反力算出の基準として目標舵角φを用いているので、右へ切る場合でも左へ切る場合でも、目標舵角が同じ場合には同じ基準反力とすることで、車輪の転舵速度に対する操舵反力の変化率が同じになる。
【００３０】
ステップＳ２０６では、横加速度Ｇの値をもとに反力補正係数ＲＦｇの値を、図６の関係を用いて算出する。図６に示すように、横加速度Ｇの値が大きいほど基準反力が大きくなるように設定し、限界加速度Ｇｍａｘの値近傍で限界であることを乗員に教示するために操舵反力を減少させる。ここで、Ｇｍａｘは、その時点での車速Ｖｃａｒ、ヨー角速度ｒ、横加速度Ｇから予測される路面摩擦係数に応じて決定する値である。図６の特性に基づけば、Ｇｍａｘの限界域よりもかなり小さい常用域においては、横加速度が大きいほど大きな反力となるため、同一旋回半径であれば車速が大きいほど反力が大きくなり、同一車速であれば旋回半径が小さいほど大きい反力となる。すなわち、走行条件が厳しいほど操舵反力が大きくなるという車両の走行状態に応じて違和感のない反力特性となる。また、従来のステアリングホイールを用いる操舵装置の場合は、どれだけ操舵したかをステアリングホイールをどれだけ回転させたかで判断している割合が大きいが、本発明の対象とするジョイスティックのように、操舵量と実際の車輪転舵角の比率が変化する運転操作装置では、走行状態に応じて同じ操舵量でも前輪切れ角が変化するため操舵量だけで判断することが困難となる。そこで、前述のように、横加速度を基準に操舵反力を走行状態に応じて変化させれば、この操舵反力をもとに車両挙動とのずれを操舵操作にフィードバックすれば良いことになり、操作性が向上する。
【００３１】
ステップＳ２０７では、ステップＳ２０５，Ｓ２０６で算出した値から、目標操舵反力ＲＦの値を
ＲＦ＝ＲＦθ×ＲＦｇ×ＲＦ０
として算出する。
ここで、ＲＦθは、操舵角θに応じて定まる補正係数であり、図７に示す特性を持つ。すなわち、右操作と左操作とで、中立位置を境界としてステップ状に変化し、右操作の方が左操作よりも小さく設定する。これにより、中立位置の認知がしやすくなるとともに、右操作時の反力を左操作よりも総じて小さくすることで、筋力を出しにくい右方向への操作負荷を軽減できる。また、操舵角が大きくなるほど補正係数ＲＦθを中立位置より小さくすることによって、手首の曲げる量の大きい領域での操作負荷を軽減することが可能となる。すなわち、図６の補正係数ＲＦｇが、車両の運動状態を乗員に認知させるために望まれる操舵反力の特性に基づくのに対し、この補正係数ＲＦθは、乗員自身の操舵入力の身体負荷に応じて望まれる操舵反力の特性に基づく。このように、補正係数を分離することによって、ジョイスティックの設置位置を変更したり、適応する車両を変更したりして、制御特性を変更しなければならなくなった場合にも、内容に応じて変更箇所を特定しやすくなる。
【００３２】
ステップＳ２０８では、これまでのステップで算出した目標舵角φ、目標操舵反力ＲＦから、ステアリング駆動手段２と操舵反力発生手段５のモータ駆動回路へ、制御目標値を送信する。
【００３３】
以上説明してきたフローチャートの動作によれば、右（または左）手で握る位置にあるジョイスティックを用いた車両の操作装置において、運転者の身体中心から離れる右（または左）側の操作であっても、運転者の身体中心方向へ向かう左（または右）側操作と同等の操作負荷で操作可能となるので、車両の操縦安定性が向上するとともに、長時間の運転においても局所的な疲労を低減できる。
【００３４】
また、運転者の身体中心へ向かう左（または右）側の操作よりも、身体中心から離れる右（または左）側の操作の方が、少ない操作量で、同等の操舵角を出力できるので、運転者の身体中心から離れる右（または左）側の操作であっても、身体中心へ向かう左（または右）側の操作と同等の操作応答性を実現できる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明による運転操作装置の第２の実施の形態について説明する。
第２の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、ジョイスティックの機構である。すなわち、図８に示すように、ジョイスティック３の乗員が把持するレバー部１７ａに、鉛直下向きの力を入力しやすくするための突起状の押下部１８，１９を設ける。
【００３６】
ジョイスティックレバー部１７ａの支持機構を、図９に示す。すなわち、レバー部１７ａは、ジョイスティック台座２８上に既定の角度を持ったガイドレール２７に沿ってスライドする軸受部２６に枢軸される。軸受部２６は、図示するように、レバー中心軸に対して右側の方が左側よりも長く、左側には枢軸部を中心に回転可能だが、右側には回転できないよう軸受部２６のレバー側の面は鉛直にレバー部１７ａと既定長さにわたり接するよう鉛直面を有している。
【００３７】
レバー部１７ａの左側への回転位置から中立位置へ戻るために、軸受部２６とレバー部１７ａに両端を固定されたバネ２０を配置する。また、右側へのガイドレール２７に沿った移動を中立位置（左端）まで引き戻すよう、バネ２１を配置する。
【００３８】
軸受部２６のレバー枢軸上には、左反力発生用の駆動モータ２２と左側への操作角度を検出するための左操舵量センサ２３を設け、ジョイスティック台座２８には、ガイドレール２７上の移動量、すなわち右側への操作量を検出するための右反力発生用の駆動モータ２４と右操作量センサ２５とを設ける。
【００３９】
以上の構成によれば、図１０に示すように、右側への軌跡は、斜め下方へ鉛直なまま平行移動するのに対し、左側への操作による軌跡は、第１の実施の形態と同様、枢軸部を中心とした円弧状になる。
【００４０】
すなわち、第２の実施の形態では、右への操舵時には筋力の出にくい手首の回転運動をする必要が無く、図８に示す押下部１８，１９を介して右腕全体でレバーを平行に押し下げる運動となり、手首に掛かる操作負荷が軽減される。
【００４１】
なお、第２の実施の形態においては、制御手段１の動作は、第１の実施の形態と同様であるが、左右で非対称である図３と図７の特性において、右側への操作負荷が減って、操作しやすくなったので、θｒ＿ｍａｘの大きさをθｌ＿ｍａｘと同じに近づけることが可能となり、図７では、さらにＲＦθ＿ｒをＲＦθ＿ｌに近づけることができる。これにより、ジョイスティック把持部の左右への移動量を対称に近づけることができ、左右で移動量が違うことから生じる位置決めの難しさが解消できる。
【００４２】
（第３の実施の形態）
次に、本発明による運転操作装置の第３の実施の形態について説明する。
第３の実施の形態は、ジョイスティックレバー部が、図１１に示すような形状をしている点が、第１の実施の形態のジョイスティックの機構と異なる。
【００４３】
すなわち、操舵中立状態において、レバー部１７ｂの把持部が鉛直軸に対して、左向きに既定角度αだけ傾斜する形状とする。
αの値は、右側への最大操舵角度よりも大きく設定する。こうすることにより、筋力を出しにくい、鉛直軸より右側（右手の場合）への操作をする必要が無くなり、全範囲の操舵を手首を身体中心へ向かって曲げる操作のみで実現できる。
【００４４】
第３の実施の形態では、中立位置に対して右でも左でも、操作負荷に大差ないので、図２に示す制御手段１の動作において、図３と図７の特性は左右対称に設定する。すなわち、θｒ＿ｍａｘ＝θｌ＿ｍａｘ、ＲＦθ＿ｒ＝ＲＦθ＿ｌとする。これにより、左右操作量の対称性が実現でき、位置決めにおける違和感が低減できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、運転者の身体中心から離れる側の操作であっても、運転者の身体中心方向へ向かう操作と同等の操作負荷で操作可能となるので、車両の操縦安定性が向上するとともに、長時間の運転においても局所的な疲労を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による運転操作装置の基本構成図である。
【図２】第１の実施の形態の動作を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施の形態において、操舵角と基準目標舵角の関係を示す特性図である。
【図４】第１の実施の形態において、車速と目標舵角補正係数の関係を示す特性図である。
【図５】第１の実施の形態において、目標舵角と基準目標操舵反力の関係を示す特性図である。
【図６】第１の実施の形態において、横加速度と操舵反力補正係数の関係を示す特性図である。
【図７】第１の実施の形態において、操舵角と操舵反力補正係数の関係を示す特性図である。
【図８】第２の実施の形態におけるジョイスティックの機構を示す概略図である。
【図９】第２の実施の形態におけるジョイスティックの機構を示す概略図である。
【図１０】第２の実施の形態におけるジョイスティックの機構を示す概略図である。
【図１１】第３の実施の形態におけるジョイスティックの形状を示す概略図である。
【図１２】ジョイスティックの操作に関与する筋肉を示す図である。
【符号の説明】
１ 制御手段
２ ステアリング駆動手段
３ ジョイスティック
４ 操舵角検出手段
５ 操舵反力発生手段
６ 車速検出手段
７ 車輪速度検出手段
８ 横加速度検出手段
９ ヨー角速度検出手段
１１ ピニオンギア
１２ タイロッド
１３，１４ ナックルアーム
１５，１６ キングピン
１７，１７ａ，１７ｂ ジョイスティックレバー部
１８，１９ 押下部
２０，２１ バネ
２２ 左反力発生用駆動モータ
２３ 左操舵量センサ
２４ 右反力発生用駆動モータ
２５ 右操作量センサ
２６ ジョイスティックレバー軸受部
２７ ガイドレール
２８ ジョイスティック台座

Claims (4)

1. 既定範囲内の角度に枢動可能なジョイスティックと、該ジョイスティックに対する運転者の操作量を検出する操作量検出手段と、車速、横加速度、ヨー角速度など車両の走行状態を検出する車両走行状態検出手段とを有し、前記操作量検出手段で検出された操作量と、前記車両走行状態検出手段で検出された車両状態に応じて、車両の操舵輪を操舵する操舵機構への操舵指令値を出力する制御手段とを有する運転操作装置において、
   前記ジョイスティックを操作する側の腕から、運転者の身体中心へ向かう方向への操作よりも、身体中心から離れる方向への操作の方が、操作量または操作力が少なくなるよう操作特性を変化させる操作特性変更手段を有することを特徴とする運転操作装置。
2. 請求項１に記載の運転操作装置において、
   前記操作特性変更手段は、前記制御装置で前記操舵機構への操舵角指令値を算出する際に、操作量に対する操舵角の比率を、ジョイスティック操作方向が運転者の身体中心へ向かう方向への操作よりも、運転者の身体中心から離れる方向への操作の方が大きくなるように設定されていることを特徴とする運転操作装置。
3. 請求項１に記載の運転操作装置において、
   前記操作特性変更手段は、ジョイスティック操作方向が運転者の身体中心へ向かう方向への操作時には、スティック下端を支点とした円弧状の軌跡を描き、ジョイスティック操作方向が運転者の身体中心から離れる方向への操作時には、スティック下端が手部の動きに連動して斜め下方へ平行移動する機構を設けたことを特徴とする運転操作装置。
4. 請求項１に記載の運転操作装置において、
   前記操作特性変更手段は、ジョイスティック操作方向が運転者の身体中心へ向かう方向への操作の限界角度と身体中心から離れる方向への操作の限界角度との中立角度を、ジョイスティックの中立角度となるように、無操作時のジョイスティック軸角度を傾斜させることを特徴とする運転操作装置。

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