JP4015848B2

JP4015848B2 - ステアリングホイールのトルクを利用した車両の操舵装置のミスアラインメント検出装置及び方法

Info

Publication number: JP4015848B2
Application number: JP2001385916A
Authority: JP
Inventors: アシュラフィベロウズ
Original assignee: ビステオングローバルテクノロジーズインコーポレイテッド
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2021-12-19
Also published as: GB0128199D0; GB2370260B; US20020188389A1; US6574539B1; JP2002225740A; US6650980B2; DE10161619A1; GB2370260A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概略的には、自動車の操舵装置に関し、詳細には、操舵装置のミスアラインメント検出装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車が、円滑ぶ走行し、予測可能な操舵操作が可能であり、さらに、タイヤ及び関連サスペンション部品が均一な消耗するには、車輪が整列状態である（車輪のアラインメントが取られている）ことが必要である。自動車の走行中、操舵装置が、ミスアラインメント状態になる場合がある。ロードホイールアラインメント及びアラインメント調節に関連した幾つかの特許があり、かかる特許としては、米国特許第５，９８８，３１１号（発明の名称：Electrical Steering Actuator）、米国特許第５，９４１，３３８号（発明の名称：Vehicle Steering Correction System）、米国特許第５，０２６，０８１号（発明の名称：Rear Wheel Steering System Having Toe Error Compensation）、米国特許第４，８３５，７１４号（発明の名称：Wheel Alignment Control System For Vehicles ）、米国特許第３，５９７，７２８号（発明の名称：Means of Instantly Detecting Anomalies On A Moving Vehicle）、米国特許第５，７９０，９６６号（発明の名称：Method for Determining Steering Position of Automotive Steering Mechanism ）及び米国特許第５，７８７，３７５号（発明の名称：Method for Determining Steering Position of Automotive Steering Mechanism ）が挙げられる。車両ミスアラインメントは、種々の理由で自動車に生じる。路面の窪み、路上屑片、縁石又はラフロード上を運転すると、それにより調節機構、又は、車両構造自体が変化する場合があり、その結果、操舵装置のミスアラインメントが生じることになる。本明細書において、ミスアラインメントは、車両製造業者によって提供されるアラインメント仕様に対する操舵輪、又は、ロードホイールのミスアラインメントを意味している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ミスアラインメントは、操舵が重くなることにより、或いはその状態が続いた場合にタイヤ及びサスペンションブッシュの摩耗の増大として現れることがある。また、ミスアラインメントの結果として、思いがけない振動や操舵具合の生じる場合がある。タイヤ又はブッシュが感知できる摩耗を示し又は車両が或る速度で震動を示すまで、ミスアラインメントを検出できないことが多い。タイヤ又はブッシュの摩耗が感知できるようになり又は車両が思いがけないほど震動するようになってしまうと、残念なことに損傷は既に生じている。
【０００４】
したがって、ミスアラインメントが存在していることを表す信号を運転手に出して、修正措置をとることができるようにする自動車用ミスアラインメント検出装置を提供することが望ましい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、車速センサ、ステアリングホイール（ハンドル）トルクセンサ、ステアリングホイール角度センサ、横加速度センサ、ヨーレートセンサ及び記憶装置／論理回路を有する自動車の操舵装置のミスアラインメント検出装置を提供する。車速センサは、自動車の速度を表す自動車速度信号を生成する。ステアリングホイールトルクセンサは、運転手によってステアリングホイールに加えられたトルクを表すステアリングホイールトルク信号を生成する。ステアリングホイール角度センサは、運転手によってステアリングホイールにもたらされた角度を表すステアリングホイール角度信号を生成する。横加速度センサは、自動車の受ける横加速度を表す横加速度信号を生成する。ヨーレートセンサは、自動車のヨーレートを表す信号を生成する。記憶装置は、以前のセンサ履歴及び（又は）自動車製造業者によって提供されたアラインメント仕様から得られたステアリングホイール角度値を記録する。論理回路は、種々のセンサ信号を分析してミスアラインメントが存在しているか否かを判定する。最も基本的な形態では、ミスアラインメント検出装置は、ヨーレート及び横加速度センサを用いて自動車が実質的に直進状態で運転されているか否かを判定し、もしそうであれば、ステアリングホイールトルクセンサからの信号を見てオペレータがこの直進運動を維持するためにホイールを調節しなければならないか否かを判定する。もし自動車が直線状態で走行している間に、ステアリングホイールトルクセンサによって検出された運転手の入力補正値が所定レベルよりも大きいと、ミスアラインメントが存在することになる。また、論理回路は、単純な論理関数を種々の信号値に適用して誤差値についての他の事情、例えば道路の傾斜部（バンク）及び中高部（クラウン）を除外するよう構成されたものであるのがよい。
【０００６】
本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照して行われる好ましい実施形態についての詳細な説明及び特許請求の範囲の記載から明らかになろう。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下の図において、同一の参照符号は同一の部分を示す。本発明は、自動車用のミスアラインメント検出装置に関して記載されている。本発明は、種々のセンサ及び入力信号を自動車の他の種々のシステムと共有してもよい。
【０００８】
図１を参照すると、車両１０が、ミスアラインメント検出装置１２を有している。ミスアラインメント検出装置１２は、種々の情報を受け取って操舵装置のミスアラインメントが生じているか否かを判定するための計算及び論理機能を実行するのに用いられる論理回路又は論理機構１４を有している。
【０００９】
論理回路１４は好ましくは、マイクロプロセッサを利用したものである。専用の論理回路１４をミスアラインメント検出装置１２内に用いてもよいが、論理回路１４は、車両１０の別のシステム、例えば操舵制御装置の一部であってもよい。さらに、論理回路１４は、車両１０の運動制御装置の一部であってもよい。
【００１０】
論理回路１４は、記憶装置１６に接続されている。記憶装置１６は、独立した部品として示されているが、論理回路１４又は車両１０内に用いられる別の記憶装置の中に組み込まれたものであってもよい。記憶装置１６は、ＲＯＭ及びＲＡＭの組合せ又は別形式の記憶装置であってもよい。記憶装置１６は、ステアリング比メモリマップ、種々の他のメモリマップ及び（又は）種々の他の車両パラメータ及び（又は）信号を記憶するのに適しており、これについては以下に説明する。
【００１１】
論理回路１４は、車両速度センサ１８に接続されている。車両速度センサ１８は、車両１０の長手方向の車両速度を論理回路１４に伝える。車両速度センサ１８は、自動車に通常用いられている種々の装置又はシステムから成るものであるのがよい。本発明のシステムへの使用に適した車両速度センサ１８の一形式は、個々の車輪の速度を示すようになった多数の速度センサから入力信号を受ける速度モジュールである。速度モジュールは、車輪速度センサからの信号を組み合わせて平均化することにより長手方向車両速度信号を生成する。各車輪のところに設けられたパルス発生器を用いて個々の車輪速度を確認することができる。
【００１２】
ステアリングホイール角度センサ２０が、記憶装置１６に接続されている。ステアリングホイール角度センサ２０は、運転手によってもたらされたステアリングホイール回転角を表示する。種々の形式のステアリングホイール角度センサを採用してもよい。適当なステアリングホイール角度センサは、可変抵抗器又はパルス発生器を有するのがよい。
【００１３】
ステアリングホイールトルクセンサ２２もまた、記憶装置１６に結合されている。ステアリングホイールトルクセンサ２２は、運転手によってもたらされたステアリングホイールトルクを表示する。種々の形式のステアリングホイールトルクセンサを採用することができる。
【００１４】
横加速度センサ２４も又、記憶装置１６に接続されている。横加速度センサは、車両１０の横加速度を表示する。
【００１５】
ヨーレートセンサ２６も又、記憶装置１６に接続されている。ヨーレートセンサ２６は、車両のヨーレートを表すヨーレート信号を発生する。種々の形式のヨーレートセンサを採用することができる。適当なヨーレートセンサは、圧電又はシリコン微細加工素子を有するのがよい。
【００１６】
ミスアラインメント状態を運転手に指示するために論理回路１４及び（又は）記憶装置１６が指示器２８に接続されてきるのがよい。指示器２８は、車両の計器パネル上に設けられた動作不良表示灯であるのがよい。指示器２８は、車両内に設けられたＬＣＤディスプレイであってもよい。さらに、指示器２８は、適当な機器を所持した点検整備員が論理回路１４及び（又は）記憶装置１６からの情報をモニターできるような点検整備診断コネクタであってもよい。
【００１７】
次に、図２を参照すると、本発明のミスアラインメント検出装置の作動を示す機能的ブロック図（フローチャート）が示されている。本発明の方法は、或る事象の発生で開始され、かかる事象としては、点火装置をオンにした状態で或る期間が経過したこと、又は、或る期間にわたってステアリングホイールトルク信号の変化が無かったことが挙げられる。ブロック３０では、論理回路は、車両が実質的に直進状態で運転されているか否かに関するデータを収集する。車両が直進状態で走行しているか否かを示すレベルＩＩＩステアリングホイール角度推定値（level III Steering Wheel Angle Estimate ：ＳＷＡｅｓｔ）が生成される。ブロック３２では、車両が直進状態で走行している場合、レベルＩＩＩＳＷＡｅｓｔ値をレベルＩＩＩステアリングホイール角度の理想値と比較する。もしＳＷＡｅｓｔが実質的にステアリングホイール角度の理想的な直線運動値に一致していなければ、この処理が再開されるまでにそれ以上の動作は行わない。もしＳＷＡｅｓｔがステアリングホイール角度の理想的な直線運動値に実質的に一致していれば、ステアリングホイールトルクを分析する。ブロック３４では、ステアリングホイールトルクセンサ信号を分析してこれが記憶装置に記憶されているステアリングホイールトルクセンサ信号の所定の限度値を越えているか否かを判定する。ステアリングホイールトルクセンサ信号の所定の限度値は、車両の直進走行時、トルクをステアリングホイールのところにもたらすのに相当多大な又はいやになるほど大きな運転手の労力が必要なほどの値である。ステアリングホイールトルクセンサ信号の値が、所定の限度値を越えていなければ、この処理の再開されるまでそれ以上の動作は行わない。ステアリングホイールトルクセンサ信号の値がこの所定限度値を越えていれば、ミスアラインメント事象が、ブロック３６で記憶装置内に蓄積される。ブロック３８では、累積誤差を記憶装置内に記憶されている累積誤差の所定限度値と比較する。当業者には明らかなようにブロック３６の累積誤差に対して数値フィルタリング法を実施するのがよい。ミスアラインメントについて間違った検出を避けるためにこのフィルタリング法を多数のトリガ事象（例えば、点火サイクル）について実施するのがよい。加うるに、誤差値の特性、例えば、大きさ、増加率又は符号（正又は負）を他の車両状態信号、例えば、ステアリングホイールトルク、車両速度又は横加速度という観点から分析し、それにより、自動車の技術者によって後で利用可能にするために記憶装置に記憶されるべき一層精緻な診断情報を提供するのがよい。もし累積誤差が所定の限度値よりも大きければ、ブロック４０においてミスアラインメント状態が存在していることが認識される。これが起こると、或る指標、例えば指示器による指標が提示される。
【００１８】
次に、図３を参照すると、以下の説明は、ステアリングホイール角度及びステアリング比に基づいている。論理回路は、車両の直線運動中、所定の閾値で車両のステアリングホイール角度を推定することができる。
【００１９】
中心探索アルゴリズム（center find algorithm）の機能は、車両を直線に沿って走行させる角度に対するステアリングホイール角度を推定することにある。この推定は、以下の関係式から得ることができる。
ステアリングホイール角度＝ステアリング比×δ_f×５７．２９５・・・（式１）
上式において、δ_fは、前輪タイヤの操舵角の平均値である。
【００２０】
上式中のステアリング比は、経験的に得られたデータから作成され又は自動車製造業者の原仕様から導き出されたマップを表している。互いに異なる操舵装置を備えた種々の車両についての特定のデータは様々である場合がある。もしステアリング比が既知であり又はヨーレート、車両速度及び横加速度の値からδｆを求めてかなり良好な近似が行われると、結果的にこれら動的値が得られるようにする車両ステアリングホイール角度の正確な推定値を得ることができる。
【００２１】
例えば、前輪タイヤの操舵角δｆの平均値を以下の式から計算することができる。
δ_f＝ｒ／ｕ×（Ｌ＋Ｋ_us／ｇ×ｕ²）・・・（式２）
上式において、ｒ＝車両のヨーレート（ｒａｄ／ｓ）、ｕ＝車両の長手方向速度（１秒当たりのｍ）、Ｌ＝ホイールベース（ｍ）、Ｋｕｓ／ｇ＝車両のアンダステア係数（ｇ＝重力加速度）であり、ステアリング比についてのマップを用いると、式１を用いてステアリングホイール角度の推定値を求めることができる。したがって、ステアリング比のばらつきを車両速度及びステアリングホイール角度（又は、これに対応した前輪タイヤ操舵角の平均値）の関数として定量化することができる。
【００２２】
これらばらつきを定量化するため、車両について試験を行って、ヨーレート、車両速度、横加速度及びステアリングホイール角度を測定する。次に、ヨーレート、車両速度及び他の車両パラメータを式２に代入して前輪タイヤ操舵角の平均値δ_fについて解を求める。最後に、ステアリングホイール角度を測定し、式１を用いてステアリング比について解くことができる。
【００２３】
ステアリング比＝ステアリングホイール角度測定値／δ_f・・・（式３）
種々の測定されたステアリングホイール角度位置に相当するステアリング比についての表を作成することができるということに注目されたい。１つの特定のステアリングホイール角度のところでのステアリング比の代表的なプロットが図３に示されている。
【００２４】
ステアリング比と車両速度の非線形の関係を線形方程式で近似させることができる。したがって、ステアリング比を以下の線形方程式で表すことができる。
ステアリング比＝ｍ×車両速度＋ｂ・・・（式４）
上式において、ｍ及びｂはそれぞれ、図３のステアリング比と車両速度の関係を表す直線４９の勾配及び直線当てはめ４８のｙ切片である。
【００２５】
この関係は、すべてのステアリングホイール角度について実験的に定量化される。一例として、車両のヨーレート、車両速度及びステアリングホイール角度の測定値を、最も左側の操舵走行位置（レフトロック）から最も右側の操舵走行位置（ライトロック）まで２０°刻みで測定し、その結果、約１，０００°の角変位について約５０のデータポイントが得られることになる。次に、各データランにつき、平均前輪タイヤ操舵角δ_fを計算し、式３に代入してステアリング比について解く。図４は、ステアリング比を幾つかのステアリングホイール角度について車両速度の関数として表している。図４で分かるように、直線のパターン５０が、大きなステアリングホイール角度から小さなステアリングホイール角度に進むと現れ始める。プロットで分かるように各直線について独特な勾配及びｙ切片が存在し、これらをこれらと対応関係にある前輪タイヤ操舵角と併せて作表することができる。これらの変数を表にした後、勾配、ｙ切片及びこれらの対応の前輪タイヤ操舵角についての約５０のデータポイントを得ることができる。次に、勾配及びｙ切片データポイントをこれらと対応関係にある前輪タイヤ操舵角に対してプロットすることができる。前輪タイヤ操舵角の関数としてのｙ切片の値の代表的なプロットが、図５に示されている。
【００２６】
ｙ切片及び勾配のばらつきをタイヤ操舵角の関数として定量化するため、ｙ切片及び勾配データに２次多項式を当てはめる。ｙ切片とタイヤ操舵角との関係についての多項式による当てはめ状態が図４に示されている。ｙ切片及び勾配についての曲線当てはめを以下の多項式で表すことができる。
ｂ＝ａ₁δ_f ²＋ａ₂δ_f＋ａ₃・・・（式５）
ｍ＝ｃ₁δ_f ²＋ｃ₂δ_f＋ｃ₃・・・（式６）
上式において、ｂ、ｍはそれぞれ、図４のステアリング比曲線に当てはめられるｙ切片、直線の勾配である。曲線の当てはめアルゴリズムを用いると、係数ａ_i及びｃ_iを把握することができる。この場合、それ自体ステアリング比δｆの２次関数であるｍの勾配及びｂのｙ切片をもつ速度の１次関数でステアリング比を表すことができる。ヨーレート及び車両速度が分かれば、δ_fを式２から計算できるということを思い起こされたい。
【００２７】
要約すると、ヨーレート及び車両速度が与えられると、δ_fを式２から計算することができる。δ_fが既知であれば、ｂ及びｍを式５，６から計算することができ、この場合、係数ａ_i，ｃ_iは実験的又は特定のデータから分かっている。次に、以下の方程式からステアリング比を計算することができる。
ステアリング比＝ｍ×車両速度＋ｂ・・・（式７）
上式は、図４に示された直線当てはめ群を表している。ステアリング比を計算したからには、式１を用いてステアリングホイール角度を推定することができる。すなわち、

上述の理論的説明を利用すると式５，６の多項式係数を把握することができる。特定の車両形態についてこれらの係数がいったん分かれば、車両のステアリングホイール角度を車両速度及びヨーレートから非常に正確に推定することができる。これは、図２で言及したレベルＩＩＩステアリングホイール推定値（レベルＩＩＩＳＷＡｅｓｔ）に該当する。
【００２８】
作動中、直線運動（ＳＷＡｓｔｒａｉｇｈｔ−ｌｉｎｅ）を表す履歴的ステアリングホイール角度値を車両１０の作動中に維持し又は車両仕様から推定し、記憶装置１６に記憶するのがよい。次に、レベルＩＩＩステアリングホイール推定値（ＳＷＡｅｓｔ）を論理回路１４によって記憶装置１６内に記憶されている直線ステアリングホイール角度（ＳＷＡｓｔｒａｉｇｈｔ−ｌｉｎｅ）と比較する。もしＳＷＡｅｓｔがＳＷＡｓｔｒａｉｇｈｔ−ｌｉｎｅに実質的に等しければ、車両は、直進状態で走行していると考えることができる。車両が直進状態で走行していると判定されると、論理回路１４は、ステアリングホイールトルク信号２２を分析する。ステアリングホイールトルク２２が実質的に０よりも大きいと、運転手は直進しようとしてトルクをステアリングホイールに加えており、車両１０にミスアラインメント状態が生じているかもしれない。累積ミスアラインメント状態が所定限度を越えるまでミスアラインメント状態を記憶装置１６内に記録する。累積ミスアラインメント状態が所定限度を越えると、ミスアラインメント状態が存在していることになる。すると、論理回路は、指示器２８により運転手に信号を出し、情報を記憶装置１６に記憶して診断のために使用し、又は車両が独立作動式電動操舵装置を有していれば、ステアードホイールのうち一方又は両方のアラインメント状態を調節することができる。
【００２９】
本発明の特定の実施形態を開示したが、当業者には多くの改造例及び変形例が想到されよう。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその均等範囲に基づいて定められる。
【００３０】
操舵装置の分野における当業者は上述の詳細な説明並びに図面及び特許請求の範囲の記載から理解できるように、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく本発明の好ましい実施形態についての設計変更例及び改造例を想到できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のミスアラインメント検出装置のブロック図である。
【図２】直線運転方法及びステアリングホイールトルクセンサを利用する本発明のミスアラインメント検出装置のフローチャートである。
【図３】特定のステアリングホイール角度でのステアリングホイール比を車両速度の関数としてプロットした図である。
【図４】幾つかのステアリングホイール角度についてステアリングホイール比を車両速度の関数としてプロットした図である。
【図５】本発明のミスアラインメント検出装置についてミスアラインメント検出装置のｙ切片を前輪タイヤ操舵角度の関数としてプロットした図である。
【符号の説明】
１０自動車
１２ミスアラインメント検出装置

Claims

操舵装置のミスアラインメント検出装置であって、
ステアリングホイールにかかる操舵トルクを表すステアリングホイールトルク信号を生成させるステアリングホイールトルクセンサと、
少なくとも１つの所定のステアリングホイール角度値及び少なくとも１つの所定のステアリングホイールトルク値を記憶することができる記憶装置と、
前記ステアリングホイールトルクセンサ及び前記記憶装置に接続された論理回路とを有し、
前記論理回路は、ステアリングホイール角度推定値を生成させ、
前記論理回路は、更に、前記ステアリングホイール角度推定値と前記少なくとも１つの所定のステアリングホイール角度値を比較することができ、
前記論理回路は、更に、前記ステアリングホイールトルク信号と前記少なくとも１つの所定のステアリングホイールトルク値を比較することができ、
前記論理回路は、更に、前記ステアリングホイール角度推定値と前記少なくとも１つの所定のステアリングホイール角度値が実質的に等しく且つ前記ステアリングホイールトルク信号が前記少なくとも１つの所定のステアリングホイールトルク値より大きいとき、ミスアラインメントと判定する、
ことを特徴とするミスアラインメント検出装置。
自動車の操舵装置のミスアラインメントを検出する方法であって、
ステアリングホイール角度推定値を求めるステップと、
前記ステアリングホイール角度推定値と、記憶装置に記憶された少なくとも１つの所定のステアリングホイール角度値を比較するステップと、
自動車のステアリングホイールトルクを検出するステップと、
前記ステアリングホイールトルクとステアリングホイールトルク限度値を比較するステップと、
前記ステアリングホイール角度推定値が前記ステアリングホイール角度値と実質的に等しく且つ前記ステアリングホイールトルクが前記ステアリングホイールトルク限度値よりも大きい場合、ミスアラインメントの存在を指示するステップと、
を有することを特徴とする方法。