JP4167959B2 - 車両用操舵角推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の車輪回転速度を用いて車両の操舵角を推定する車両用操舵角推定装置に関する。

従来の車両用操舵角推定装置としては、例えば特許第２６１４３４８号（特許文献１）に開示されたものがあり、ハンドル操舵角を検出する操舵角検出センサと、左車輪速を検出する左車輪速センサと、右車輪速を検出する右車輪速センサと、前記左車輪速センサによる左車輪速と前記右車輪速センサによる右車輪速とから推定舵角を算出する推定舵角算出手段と、前記操舵角検出センサの信号と、前記推定舵角算出手段による推定舵角との間の位相差を考慮して前記ハンドル操舵角の中立位置を算出する中立位置算出手段とを備えたものである。

また、特開２００３−１４４５０（特許文献２）には、左右輪の回転状態をそれぞれ検出する一対の回転センサを用いて、車両の操舵角を推定する車両の操舵角推定装置において、一対の回転センサからの出力に基づいて、左右輪のそれぞれの回転速度を検出する速度検出手段と、前記速度検出手段により検出された左輪の回転速度と右輪の回転速度との回転速度比を算出する速度比演算手段と、前記速度比演算手段により算出された回転速度比に基づいて、車両の操舵角を算出する操舵角演算手段とを有する車両の操舵角推定装置が示されている。

更に、非特許文献１では、車輪の運動方程式と車体の運動方程式を求め、車輪速と車速を状態変数としてスリップ率を推定するようになっている
特許第２６１４３４８号 特開２００３−１４４５０ 電気学会論文誌Ｄ １２０巻２号 「電気自動車における車体速度情報不要の新しいタイヤ空転検出法」 平成１２年

しかしながら、特許文献１に記載のものでは操舵の中立点を推定するのみで、推定可能範囲が狭いという問題がる。また、推定演算に左右１組の車輪速度のみを利用しているため、正確な推定を行い得ないという問題がある。

また、特許文献２の推定装置は、定常状態の判定を前輪２輪の回転速度比と後輪２輪の回転速度比の比較によって行っており、前輪と後輪の旋回半径の違いを正確には反映しておらず、定常判定精度が操舵角によっては正確でない場合がある。そして、1輪スリップしただけで、舵角の推定ができないという欠点がある。

更に、非特許文献１に記載のものは、タイヤを駆動するトルクを検出する必要があると共に、モータ駆動であるか、駆動トルクセンサが必要であるという問題がある。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、定常状態の判定を全操舵角で正確に行い得ると共に、１輪がスリップしているような定常状態でない場合においても、できる限り操舵角の推定を行い得る車両用操舵角推定装置を提供することにある。また、定常状態の判定を全操舵角で正確に行い得ると共に、定常状態でない場合においても、できる限り操舵角の推定を行い得る車両用操舵角推定装置を内蔵した電動パワーステアリング装置を提供することも目的としている。

本発明の上記目的は、４輪ｆｌ，ｆｒ，ｒｌ，ｒｒの前輪ｆｌ，ｆｒの舵角をそれぞれα_ｌ，α_ｒとし、車両の車軸距離をＬとし、車幅をＥとし、前記車輪ｆｌ，ｆｒ，ｒｌ，ｒｒの車輪速を左前輪ω_ｆｌ、右前輪ω_ｆｒ、左後輪ω_ｒｌ、右後輪ω_ｒｒとしたとき、車体中心の舵角αと各車輪速ω_ｆｌ，ω_ｆｒ，ω_ｒｌ，ω_ｒｒが、

の関係を有し、左右それぞれの前後輪と左右それぞれの舵角α_ｌ，α_ｒが

の関係を有し、推定舵角α_{ｆｒｏｎｔ}に対し所定の内外輪舵角比から求めた左右輪舵角の余弦値をｃｏｓα_ｆｌ、ｃｏｓα_ｆｒ、とし、推定舵角α_ｒｅａｒに対し所定の内外輪舵角比から求めた左右輪舵角の余弦値をｃｏｓα_ｒｌ、ｃｏｓα_ｒｒとし、前記４つの余弦値（ｃｏｓα_ｆｌ、ｃｏｓα_ｆｒ、ｃｏｓα_ｒｌ、ｃｏｓα_ｒｒ）と左前後輪の回転数比ω_ｒｌ／ω_ｆｌ、右前後輪の回転数比ω_ｒｒ／ω_ｆｒとを、ｘを左を示すｌ又は右を示すｒとしたとき、
ｄ_ｘ＝ｃｏｓα_ｘ−ωｒ_ｘ／ωｆ_ｘ
に基づいて演算し、差ｄ_ｘの絶対値に応じて前記車輪のスリップを検知する車両用操舵角推定装置により達成される。
また、本発明の上記目的は、車両速度が所定速度に達した後に前記スリップの検知を開始するようになっていることにより、或いは前記スリップの検知を所定周期で行うようになっていることにより、より効果的に達成される。

本発明の車両用操舵角推定装置によれば、定常状態の各輪旋回半径の比を正確に反映した関係式を用いることで、従来の方法に比べて正確に定常状態の判定を行うことができる。また、スリップしている車輪が１輪の場合、前左右輪、後左右輪、前後左輪、前後右輪の４組の推定舵角を比較することで、スリップしている車輪を特定することができ、それ以外の車輪から正しい推定舵角を選択することができる。

本発明では図１に示すように、４輪ｆｌ，ｆｒ，ｒｌ，ｒｒの各旋回半径をＲｆｌ，Ｒｆｒ，Ｒｒｌ，Ｒｒｒとし、前輪ｆｌ，ｆｒの舵角をそれぞれα_ｌ，α_ｒとし、車両の車軸距離をＬとし、車幅をＥとする。また、前輪車軸中央の旋回半径をＲｆとし、後輪車軸中央の旋回半径をＲｒとする。そして、各車輪ｆｌ，ｆｒ，ｒｌ，ｒｒの車輪速（車輪角速度）として左前輪をω_ｆｌ、右前輪をω_ｆｒ、左後輪をω_ｒｌ、右後輪をω_ｒｒとすると、車体中心の舵角αと各車輪速ω_ｆｌ，ω_ｆｒ，ω_ｒｌ，ω_ｒｒは、以下のような関係を持つことが知られている。

上記数１又は数２のいずれかで、車輪速ω_ｆｌ，ω_ｆｒ，ω_ｒｌ，ω_ｒｒから舵角αが一様に求められることになる。つまり、舵角αを推定することができる。また、左右それぞれの前後輪と、左右それぞれの舵角α_ｌ，α_ｒは以下の関係を持つ。

前輪車軸中央の舵角αと、左前輪の舵角α_ｌ、右前輪の舵角α_ｒとの関係は車種により決まってくる。仮に以下の数５及び数６のような関係を持つとすれば、前記数１〜数４は共通の舵角αと車両の車軸距離L、車幅Eとで成立することになる。なお、ｋ１は舵角と内輪舵角の比であり、ｋ２は舵角と外輪舵角の比である。
[数５]
左折のとき、 α_ｌ＝ｋ１・α
α_ｒ＝ｋ２・α
[数６]
右折のとき、 α_ｌ＝ｋ２・α
α_ｒ＝ｋ１・α


車両が定常状態で旋回できているときは、各車輪速ω_ｆｌ，ω_ｆｒ，ω_ｒｌ，ω_ｒｒは前記数1〜数4を全て成立させるが、スリップしている車輪がある場合、成立しない式が生じる。成立しない式はスリップしている車輪を含んだ式であるため、数１〜数４の全てを確認することで、スリップ輪を特定することができる（スリップ輪が２輪以上の場合を除く）。例えば後輪と右前輪の関係が正しい場合、図３に示すように左前輪のみがスリップしていると判定できる。車輪は１輪からスリップし始めるのがほとんどであるから、本発明は最初にスリップした車輪を特定するには十分な方法である。

図４及び図５に推定演算のフローチャートを示し、本発明を説明する。なお、本発明では、4輪全てに車輪の回転速度を検出する車輪回転速度センサを装備した車両とする。

車両が所定速度ｖ_０に加速されるまで（ステップＳ１）、条件を満たすまでの全継続時間をクリアする動作を繰返した後（ステップＳ２）、車輪が所定速度ｖ_０に達したとき、車輪の回転速度ω_ｆｌ，ω_ｆｒ，ω_ｒｌ，ω_ｒｒを車輪回転速度センサから読出す（ステップＳ３）。そして、前輪の車輪回転速度ω_ｆｌ及びω_ｆｒ、後輪の車輪回転速度ω_ｒｌ及びω_ｒｒを用いて、数1及び数2からそれぞれの推定舵角α_{ｆｒｏｎｔ}、α_ｒｅａｒを算出する（ステップＳ４）。

これら推定舵角α_{ｆｒｏｎｔ}、α_ｒｅａｒから左右車輪のどちらが内輪又は外輪になっているかを判定し、予め設定された舵角と内輪舵角の比ｋ１、舵角と外輪舵角の比ｋ２を乗じて、左輪の舵角α_ｌ及び右輪の舵角α_ｒをそれぞれ推定し、更にそれらの余弦値を算出する（ステップＳ５、前輪からcosα_ｆｌ、cosα_ｆｒ、後輪からcosα_ｒｌ、cosα_ｒｒ）。なお、内外輪舵角の推定は、右折左折の判定と係数（ｋ１，ｋ２）の乗算でなくても、舵角に対するデータテーブルを予め用意しておき、そのデータテーブルから推定しても良い。また、前輪車軸中央の舵角αから直接内外輪の余弦値を求めるデータテーブルを利用するようにしても良い。

左右前後の車輪回転速度ω_ｆｌ、ω_ｆｒ、ω_ｒｌ、ω_ｒｒから前後の回転比ω_ｒｌ／ω_ｆｌ、ω_ｒｒ／ω_ｆｒを算出し（ステップＳ６）、上記で求めた余弦値cosα_ｆｌ、cosα_ｆｒ、cosα_ｒｌ、cosα_ｒｒと大小比較する（ステップＳ７）。即ち、下記数７を演算する。ｘは左のｌ又は右のｒを表わす。
[数７]
ｄ_ｘ＝ｃｏｓα_ｘ−ω_ｒｘ／ω_ｆｘ

上記数７で求めた差ｄ_ｘの絶対値|ｄ_ｘ|、つまり絶対値|ｄ_ｆｌ|、|ｄ_ｆｒ|、|ｄ_ｒｌ|、|ｄ_ｒｒ|を求め、これら絶対値|ｄ_ｆｌ|、|ｄ_ｆｒ|、|ｄ_ｒｌ|、|ｄ_ｒｒ|のうち先ず後輪の推定舵角と右側車輪速から演算された余弦値の誤差の絶対値|ｄ_ｒｒ|が、予め設定された設定値ｄ_０以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。絶対値|ｄ_ｒｒ|が設定値ｄ_０以下であれば、条件（誤差小）を満たしているとしてｄ_ｒｒ用のタイマをカウントアップし（ステップＳ１１）、絶対値|ｄ_ｒｒ|が設定値ｄ_０よりも大きい場合は、条件を満たしていないとしてｄ_ｒｒ用のタイマをクリアし（ステップＳ１２）、次の動作に移行する。

即ち、後輪の推定舵角と左側車輪速から演算された余弦値の誤差の絶対値|ｄ_ｒｌ|が、予め設定された設定値ｄ_０以下であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。絶対値|ｄ_ｒｌ|が設定値ｄ_０以下であれば、条件（誤差小）を満たしているとしてｄ_ｒｌ用のタイマをカウントアップし（ステップＳ１４）、絶対値|ｄ_ｒｌ|が設定値ｄ_０よりも大きい場合は、条件を満たしていないとしてｄ_ｒｌ用のタイマをクリアし（ステップＳ１５）、次の動作に移行する。

即ち、前輪の推定舵角と右側車輪速から演算された余弦値の誤差の絶対値|ｄ_ｆｒ|が、予め設定された設定値ｄ_０以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。絶対値|ｄ_ｆｒ|が設定値ｄ_０以下であれば、条件（誤差小）を満たしているとしてｄ_ｆｒ用のタイマをカウントアップし（ステップＳ２１）、絶対値|ｄ_ｆｒ|が設定値ｄ_０よりも大きい場合は、条件を満たしているとしてｄ_ｆｒ用のタイマをクリアし（ステップＳ２２）、次の動作に移行する。

即ち、前輪の推定舵角と右側車輪速から演算された余弦値の誤差の絶対値|ｄ_ｆｌ|が、予め設定された設定値ｄ_０以下であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。絶対値|ｄ_ｆｌ|が設定値ｄ_０以下であれば、条件（誤差小）を満たしているとしてｄ_ｆｌ用のタイマをカウントアップし（ステップＳ２４）、絶対値|ｄ_ｆｌ|が設定値ｄ_０よりも大きい場合は、条件を満たしていないとしてｄ_ｆｌ用のタイマをクリアし（ステップＳ２５）、次の各継続時間処理に移行する。

なお、図４及び図５のフローチャートのモジュールは一定周期で繰返されるようになっており、継続して条件を満たしていれば、それぞれのタイマはカウントアップされ続け、条件を満たさない回があれば、直ちに０にクリアされる。

先ずｄ_ｒｒ継続時間又はｄ_ｒｌ継続時間が所定時間ｔ以上であるか否かを判定し（ステップＳ２６）、ｄ_ｒｒ継続時間又はｄ_ｒｌ継続時間が所定時間ｔ以上であれば推定舵角をα_ｒｅａｒとして終了し（ステップＳ２７）、ｄ_ｒｒ継続時間又はｄ_ｒｌ継続時間が所定時間ｔよりも小さければ、更にｄ_ｆｒ継続時間又はｄ_ｆｌ継続時間が所定時間ｔ以上であるか否かを判定し（ステップＳ２８）、ｄ_ｆｒ継続時間又はｄ_ｆｌ継続時間が所定時間ｔ以上であれば推定舵角をα_{ｆｒｏｎｔ}として終了する（ステップＳ２９）。ｄ_ｒｒ継続時間又はｄ_ｒｌ継続時間が所定時間ｔよりも小さければ、上記ステップＳ１にリターンして上記動作を繰返す。

上述のように、左右前後の車輪回転速度ω_ｆｌ、ω_ｆｒ、ω_ｒｌ、ω_ｒｒから前後の回転比ω_ｒｌ／ω_ｆｌ、ω_ｒｒ／ω_ｆｒを算出し、cosα_ｆｌ、cosα_ｆｒ、cosα_ｒｌ、cosα_ｒｒと比較し、その差の絶対値|ｄ_ｆｌ|、|ｄ_ｆｒ|、|ｄ_ｒｌ|、|ｄ_ｒｒ|が所定時間ｔの間、予め設定された設定値ｄ_０より小さければ、その組み合わせ（ｄ_ｆｌなら前輪と左輪）はスリップしていない定常状態と判定する。絶対値|ｄ_ｒｌ|、|ｄ_ｒｒ|のどちらかが定常状態と判定されれば、数2（後輪）で得られた値を舵角推定値として採用し、|ｄ_ｒｌ|、|ｄ_ｒｒ|のどちらもスリップと判定され、|ｄ_ｆｌ|、|ｄ_ｆｒ|のどちらかが定常判定されれば、数1（前輪）で得られた値を舵角推定値として採用する。

なお、上述の例では右後輪、左後輪、右前輪、左前輪の順に判定しているが、その順番は任意である。

本発明の車両用操舵角推定装置は、定常状態の判定を全操舵角について正確に行うことができるので、自動車等の車両に最適に適用できる。また、定常状態でない場合でも、できる限り操舵角の推定を行うことができるので、車両装置に有効である。

本発明の原理を説明するための図である。 舵角を説明するための図である。 スリップ車輪を示す図である。 本発明の動作例を示すフローチャートの一部である。 本発明の動作例を示すフローチャートの一部である。

符号の説明

ｆｌ、ｆｒ 前輪
ｒｌ、ｒｒ 後輪
Ｌ 車軸距離
Ｅ 車幅

Claims (3)

1. ４輪ｆｌ，ｆｒ，ｒｌ，ｒｒの前輪ｆｌ，ｆｒの舵角をそれぞれα_ｌ，α_ｒとし、車両の車軸距離をＬとし、車幅をＥとし、前記車輪ｆｌ，ｆｒ，ｒｌ，ｒｒの車輪速を左前輪ω_ｆｌ、右前輪ω_ｆｒ、左後輪ω_ｒｌ、右後輪ω_ｒｒとしたとき、車体中心の舵角αと各車輪速ω_ｆｌ，ω_ｆｒ，ω_ｒｌ，ω_ｒｒが、
   

   

   の関係を有し、左右それぞれの前後輪と左右それぞれの舵角α_ｌ，α_ｒが
   

   

   の関係を有し、推定舵角α_{ｆｒｏｎｔ}に対し所定の内外輪舵角比から求めた左右輪舵角の余弦値をｃｏｓα_ｆｌ、ｃｏｓα_ｆｒ、とし、推定舵角α_ｒｅａｒに対し所定の内外輪舵角比から求めた左右輪舵角の余弦値をｃｏｓα_ｒｌ、ｃｏｓα_ｒｒとし、前記４つの余弦値（ｃｏｓα_ｆｌ、ｃｏｓα_ｆｒ、ｃｏｓα_ｒｌ、ｃｏｓα_ｒｒ）と左前後輪の回転数比ω_ｒｌ／ω_ｆｌ、右前後輪の回転数比ω_ｒｒ／ω_ｆｒとを、ｘを左を示すｌ又は右を示すｒとしたとき、
   ｄ_ｘ＝ｃｏｓα_ｘ−ωｒ_ｘ／ωｆ_ｘ
   に基づいて演算し、差ｄ_ｘの絶対値に応じて前記車輪のスリップを検知することを特徴とする車両用操舵角推定装置。
2. 車両速度が所定速度に達した後に前記スリップの検知を開始するようになっている請求項１に記載の車両用操舵角推定装置。
3. 前記スリップの検知を所定周期で行うようになっている請求項１に記載の車両用操舵角推定装置。

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