JP4231437B2

JP4231437B2 - 車両の操舵装置

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Publication number: JP4231437B2
Application number: JP2004080299A
Authority: JP
Inventors: 武志後藤; 隆一黒沢; 憲司十津; 大介山田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2024-03-19
Also published as: JP2005263081A

Description

本発明は、車両を操舵するために運転者によって操作される操舵ハンドルと、転舵輪を転舵するための転舵アクチュエータと、同操舵ハンドルの操作に対して反力を付与する反力アクチュエータと、操舵ハンドルの操作に応じて転舵アクチュエータを駆動制御して転舵輪を転舵する転舵制御装置とを備えたステアリングバイワイヤ方式の車両の操舵装置に関する。

近年、この種のステアリングバイワイヤ方式を採用した操舵装置の開発は、積極的に行われるようになった。そして、例えば下記特許文献１は、操舵角および車速を検出し、操舵角の増加に従って減少するとともに車速の増加に従って増加する伝達比を計算し、この伝達比で操舵角を除算することにより前輪の転舵角（ラック軸の変位量）を計算して、同計算した転舵角に前輪を転舵するようにした操舵装置が示されている。また、この操舵装置においては、検出ハンドル操舵角を時間微分した操舵速度に応じて前記計算した転舵角を補正することにより、前輪の転舵応答性・追従性を高めるようにしている。さらに、検出車速および検出ハンドル操舵角を用いて目標ヨーレートを計算し、この計算した目標ヨーレートと検出した実ヨーレートとの差に応じて前記計算した転舵角を補正することにより、車両の挙動状態を考慮した転舵制御を実現するようになっている。

また、下記特許文献２には、操舵トルクおよびハンドル操舵角を検出し、操舵トルクおよびハンドル操舵角の増加に従って増加する２つの転舵角をそれぞれ計算し、これらの計算した両転舵角を加算した転舵角に前輪を転舵するようにした転舵装置が示されている。この操舵装置においては、車速も検出し、この検出車速により前記両転舵角を補正して、転舵特性を車速に応じて変更するようになっている。

しかしながら、上記従来の装置のいずれにおいても、車両を操舵するための運転者による操舵ハンドルに対する操作入力値である操舵角および操舵トルクを検出し、これらの検出した操舵角および操舵トルクを用いて前輪の転舵角を直接的に計算して、この計算した転舵角に前輪を転舵するようにしている。しかし、これらの前輪の転舵制御は、従前の操舵ハンドルと転舵輪との機械的な連結を外してはいるものの、操舵ハンドルの操作に対する前輪の操舵の応答性としては、操舵ハンドルの操作位置または操作力に対応させて前輪の転舵角を決定するという基本的な技術思想は全く同じであり、これらの転舵方法では、人間の感覚特性に対応して前輪の転舵角が決定されていないので、車両の運転操作が難しかった。

すなわち、上記従来の装置においては、運転者が知覚し得ない転舵角が操舵ハンドルの操作に対応させて直接的に決定され、同転舵角に応じた前輪の転舵によって車両が旋回する。そして、運転者はこの車両の旋回に起因した車両の横加速度、ヨーレートおよび旋回曲率を触覚または視覚により感じ取り、操舵ハンドルの操作にフィードバックして車両を所望の態様で旋回させていた。言い換えれば、運転者による操舵ハンドルの操作に対する前輪の転舵角は人間の知覚し得ない物理量であるので、運転者の操舵操作に対して直接的に決定される転舵角は運転者の知覚特性に合わせて決められたものではなく、これが車両の運転を難しくしていた。

また、上記従来の装置においては、検出車速および検出ハンドル操舵角を用いて計算した目標ヨーレートと、検出した実ヨーレートとの差に応じて決定転舵角を補正するようにしているが、これは車両の挙動状態を考慮した転舵角の単なる補正であって、操舵ハンドルの操作により運転者が知覚するであろうヨーレートに応じて転舵角を決定しているわけではない。したがって、この場合も、運転者の操舵操作に対して決定される転舵角は運転者の知覚特性に合わせて決められたものではなく、車両の運転を難しくしていた。

さらに、上記従来の装置においては、運転者が所定量だけ操舵した操舵ハンドルから手を離した場合には、転舵輪がセルフアライニングトルクなどにより中立位置（直進走行位置）へ復帰する。このとき、転舵輪が路面などから反力を受けている場合には、その反力により、転舵輪が急激に直進走行位置方向へ転舵し、この転舵に応答して操舵ハンドルも中立位置方向へ急激に回動することによって、車両に大きな揺れが発生する場合がある。これに対し、例えば、下記特許文献３、特許文献４および特許文献５には、運転者が操舵ハンドルから手を放した場合であっても操舵ハンドルの急回転を防止する車両用操舵装置が示されている。これら従来の装置によれば、運転者が操舵ハンドルに付与する操作トルクに基づき、運転者が操舵ハンドルから手を放しているか否かを判定する。そして、運転者が手を放しているときには、操舵ハンドルを中立位置へ戻すときに操舵ハンドルの回動を緩やかに制御して戻すようになっている。これにより、操舵ハンドルの戻し操作時における転舵輪の急激な転舵を防止するようになっている。また、下記特許文献６に示した操舵装置においては、運転者の操舵ハンドル操作速度（送り速度）に応じて、操舵ハンドルの戻し速度を適性に制御するようになっている。これによっても、操舵ハンドルの戻し操作時における転舵輪の急激な転舵を防止するようになっている。

このように、特に、ステアリングバイワイヤ方式の操舵装置においては、運転をやさしくするとともに、車両の走行時において運転者が意図しない挙動を排除して快適な操舵特性が得られることが望まれている。

特開２０００−８５６０４号公報特開平１１−１２４０４７号公報特開平１０−２３０８６１号公報特開平１０−３１００７３号公報特開２００２−３７１１１号公報特開平１０−２３０８６１号公報

本発明者等は、上記問題に対処するために、運転者による操舵ハンドルの操作に対して、人間の知覚特性に合わせて車両を操舵することができる車両の操舵装置の研究に取り組んだ。このような人間の知覚特性に関し、ウェーバー・ヘフナー（Weber-Fechner）の法則によれば、人間の感覚量は与えられた刺激の物理量の対数に比例するといわれている。言い換えれば、人間の操作量に対して人間に与えられる刺激の物理量を指数関数的またはべき乗関数的に変化させれば、操作量と物理量との関係を人間の知覚特性に合わせることができる。本発明者等は、このウェーバー・ヘフナーの法則を車両の操舵装置に適用し、次のようなことを発見した。

車両の運転にあたっては、操舵ハンドルの操作によって車両は旋回し、この車両の旋回によって横加速度、ヨーレート、旋回曲率などの車両の運動状態量が変化し、運転者はこの車両の運動状態量を触覚および視覚により感じ取るものである。したがって、前記操舵ハンドルに対する運転者の操作に対して、運転者が知覚し得る車両の運動状態量を指数関数的またはべき乗関数的に変化させるようにすれば、運転者の操舵ハンドルの操作に対して運転者の知覚特性に合わせて車両を運転操作できることになる。

本発明は、上記発見に基づくもので、その目的は、運転者による操舵ハンドルの操作に対して、人間の知覚特性に合わせて車両を操舵させることにより、車両の運転をやさしくするとともに、操舵ハンドルの戻し操作時における車両の挙動を安定させる車両の操舵装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、車両を操舵するために運転者によって操作される操舵ハンドルと、同操舵ハンドルの操作に対して反力を付与する反力アクチュエータと、転舵輪を転舵するための転舵アクチュエータと、前記操舵ハンドルの操作に応じて前記転舵アクチュエータを駆動制御して転舵輪を転舵する転舵制御装置とを備えたステアリングバイワイヤ方式の車両の操舵装置において、前記転舵制御装置は、前記操舵ハンドルの変位量を検出する変位量センサと、前記検出された変位量を前記操舵ハンドルに付与される操作力に変換する操作力変換手段と、車両の旋回に関係して運転者が知覚し得る車両の運転状態量を表していて、前記運動状態量に関する予め決められたウェーバー比を前記操作力に関する予め決められたウェーバー比で除算した値を指数とする前記操作力のべき乗関数として定義される車両の見込み運動状態量を、前記変換された操作力を用いて計算する運動状態量計算手段と、前記計算された見込み運動状態量で車両が運動するために必要な前記転舵輪の転舵角を、前記計算された見込み運動状態量を用いて計算する転舵角計算手段と、前記計算された転舵角に応じて前記転舵アクチュエータを制御して前記転舵輪を同計算された転舵角に転舵する転舵制御手段と、前記反力アクチュエータの作動を制御して前記操舵ハンドルを所定の角速度によって前記中立位置方向へ回動させる反力アクチュエータ制御手段とを備えていることにある。
この場合、前記変位量センサ及び操作力変換手段に代えて、前記操舵ハンドルに付与される操作力を検出する操作力センサを備え、前記運動状態量計算手段が、前記検出された操作力を用いて車両の見込み運動状態量を計算するようにしてもよい。

この場合、さらに、前記所定の角速度によって前記操舵ハンドルを前記中立位置方向へ回動させるための戻り反力を計算する戻り反力計算手段を備え、前記反力アクチュエータ制御手段は、前記戻り反力計算手段によって計算された戻り反力を前記操舵ハンドルに付与して、前記操舵ハンドルを前記中立位置方向へ回動させるとよい。

また、前記見込み運動状態量は、車両の横加速度、ヨーレートおよび旋回曲率のうちのいずれか一つであるとよい。

上記のように構成した本発明においては、まず、操舵ハンドルに対する運転者の操作力が、車両の旋回に関係して運転者が知覚し得る車両の運動状態量を表していて、前記運動状態量に関する予め決められたウェーバー比を前記操作力に関する予め決められたウェーバー比で除算した値を指数とする前記操作力のべき乗関数として定義される車両の見込み運動状態量（横加速度、ヨーレート、旋回曲率など）に変換される。そして、この変換された見込み運動状態量に基づいて、同見込み運動状態量で車両が運動するために必要な転舵輪の転舵角が計算されて、この計算された転舵角に転舵輪が転舵される。したがって、転舵輪の転舵によって車両が旋回すると、この旋回により、運転者には前記見込み運動状態量が与えられる。そして、この見込み運動状態量は、操舵ハンドルへの操作力に対してべき乗関係で変化するものであるので、運転者は、人間の知覚特性に合った運動状態量を知覚しながら、操舵ハンドルを操作でき、これにより、見込んだ運動状態で車両を挙動させることができる。なお、横加速度およびヨーレートについては、運転者が車両内の各部位との接触により触覚的に感じ取ることができる。また、旋回曲率については、運転者が車両の視野内の状況の変化により視覚的に感じ取ることができる。その結果、本発明によれば、運転者は、人間の知覚特性に合わせて操舵ハンドルを操作できるので、車両の運転が簡単になる。

また、運転者が操舵ハンドルから手を放して、操舵ハンドルを中立位置方向へ回動させる、すなわち、車両を直進状態とする場合には、反力アクチュエータ制御手段によって操舵ハンドルは所定の角速度で回動される。このように、所定の角速度、例えば、一定の角速度で操舵ハンドルを回動させることによって、転舵輪を急激に転舵させることが防止でき、車両の揺れを効果的に防止できて、滑らかに進路を収束させることができる。

このとき、操舵ハンドルの回動に伴って変化する操作力が、前記操作力のべき乗関数として定義される車両の見込み運動状態量（横加速度、ヨーレート、旋回曲率など）に連続的に変換される。そして、この変換された見込み運動状態量に基づいて、同見込み運動状態量で車両が運動するために必要な転舵輪の転舵角が連続的に計算されて、この計算された転舵角に転舵輪が連続的に転舵される。したがって、直進状態へ移行する車両の挙動は、運転者が見込んだ運動状態で変化するため、意図しない車両の挙動を排除することができて、車両の挙動を良好に安定させることができる。また、運転者が見込んだ運動状態で車両の挙動が変化するため、運転者は不安を感じることがない。

また、操舵ハンドルを戻り反力計算手段により計算された戻り反力で中立位置方向へ回動させることによって、例えば、操舵ハンドルの角速度を検出するための他の装置（例えば、センサなど）を別途設ける必要がない。このため、操舵装置の製造コストを低減することもできて、好適である。

以下、本発明の一実施形態に係る車両の操舵装置について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る車両の操舵装置を概略的に示している。

この操舵装置は、転舵輪としての左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２を転舵するために、運転者によって回動操作される操作部としての操舵ハンドル１１を備えている。操舵ハンドル１１は操舵入力軸１２の上端に固定され、操舵入力軸１２の下端は電動モータおよび減速機構からなる反力アクチュエータ１３に接続されている。反力アクチュエータ１３は、運転者の操舵ハンドル１１の回動操作に対して反力を付与する。

また、この操舵装置は、電動モータおよび減速機構からなる転舵アクチュエータ２１を備えている。この転舵アクチュエータ２１による転舵力は、転舵出力軸２２、ピニオンギア２３およびラックバー２４を介して左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２に伝達される。この構成により、転舵アクチュエータ２１からの回転力は転舵出力軸２２を介してピニオンギア２３に伝達され、ピニオンギア２３の回転によりラックバー２４を軸線方向に変位させて、このラックバー２４の軸線方向の変位により、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は左右に転舵される。

次に、これらの反力アクチュエータ１３および転舵アクチュエータ２１の作動を制御する電気制御装置について説明する。電気制御装置は、操舵角センサ３１、転舵角センサ３２、車速センサ３３および横加速度センサ３４を備えている。

操舵角センサ３１は、操舵入力軸１２に組み付けられて、操舵ハンドル１１の中立位置からの回転角を検出して操舵角θとして出力する。転舵角センサ３２は、転舵出力軸２２に組み付けられて、転舵出力軸２２の中立位置からの回転角を検出して実転舵角δ（左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角に対応）として出力する。なお、操舵角θおよび実転舵角δは、中立位置を「０」とし、左方向の回転角を正の値で表すとともに、右方向の回転角を負の値でそれぞれ表す。車速センサ３３は、車速Vを検出して出力する。横加速度センサ３４は、車両の実横加速度Gを検出して出力する。なお、実横加速度Gも、左方向の加速度を正で表し、右方向の加速度を負で表す。

これらのセンサ３１〜３４は、電子制御ユニット３５に接続されている。電子制御ユニット３５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなるマイクロコンピュータを主要構成部品とするもので、プログラムの実行により反力アクチュエータ１３および転舵アクチュエータ２１の作動をそれぞれ制御する。電子制御ユニット３５の出力側には、反力アクチュエータ１３および転舵アクチュエータ２１を駆動するための駆動回路３６，３７がそれぞれ接続されている。駆動回路３６，３７内には、反力アクチュエータ１３および転舵アクチュエータ２１内の電動モータに流れる駆動電流を検出するための電流検出器３６ａ，３７ａが設けられている。電流検出器３６ａ，３７ａによって検出された駆動電流は、両電動モータの駆動を制御するために、電子制御ユニット３５にフィードバックされている。

また、電子制御ユニット３５は、操舵トルクセンサ３８も備えている。操舵トルクセンサ３８は、操舵入力軸１２に組み付けられていて、操舵ハンドルに付与された操舵トルクTを検出して、電子制御ユニット３５に出力する。

次に、上記のように構成した本実施形態に関し、電子制御ユニット３５内にてコンピュータプログラム処理により実現される機能を表す図２の機能ブロック図を用いて説明する。電子制御ユニット３５は、操舵ハンドル１１の回動操作に基づいて運転者の感覚特性に対応した左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の目標転舵角δdを決定するための感覚適合制御部４０と、目標転舵角δdに基づいて左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２を転舵制御するための転舵制御部５０と、操舵ハンドル１１への反力付与を制御するための反力制御部６０とからなる。

運転者によって操舵ハンドル１１が回動操作されると、操舵角センサ３１によって操舵ハンドル１１の回転角である操舵角θが検出されて、同検出された操舵角θを感覚適合制御部４０および反力制御部６０にそれぞれ出力する。

感覚適合制御部４０においては、変位−トルク変換部４１が下記式１を用いて操舵角θの指数関数である操舵トルクTdを計算する。
Td＝To・exp(K1・θ) …式１
ただし、前記式１中のTo，K1は定数である。ここで、前記式１中の操舵角θは前記検出操舵角θの絶対値を表しているものであるが、検出操舵角θが正であれば定数Toを正の値とするとともに、検出操舵角θが負であれば定数Toを前記正の定数Toと同じ絶対値を有する負の値とする。この場合、前記式１の演算に代えて、操舵角θに対する操舵トルクTdを記憶した図３に示すような特性の変換テーブルを用いて、操舵トルクTdを計算するようにしてもよい。

この計算された操舵トルクTdは、トルク−横加速度変換部４２に供給される。トルク−横加速度変換部４２は、運転者がハンドルの回動操作により見込んでいる見込み横加速度Gdを、操舵トルクTdの絶対値が正の小さな所定値To未満であれば下記式２のように「０」とし、操舵トルクTdの絶対値が正の小さな所定値To以上であれば下記式３に従って操舵トルクTdのべき乗関数である見込み横加速度Gdを計算する。
Gd＝0 (｜Td｜＜To) …式２
Gd＝C・Td^K2 (To≦｜Td｜) …式３
ただし、式３中のC，K2は定数である。また、前記式３中の操舵トルクTdは前記式１を用いて計算した操舵トルクTdの絶対値を表しているものとし、前記計算した操舵トルクTdが正であれば定数Cを正の値とするとともに、前記計算した操舵トルクTdが負であれば定数Cを前記正の定数Cと同じ絶対値を有する負の値とする。なお、この場合も、前記式２，３の演算に代えて、操舵トルクTdに対する見込み横加速度Gdを記憶した図４に示すような特性の変換テーブルを用いて、操舵トルクTdを計算するようにしてもよい。

ここで、前記式３について説明しておく。前記式１を用いて操舵トルクTdを消去すると、下記式４に示すようになる。
Gd＝C(To・exp(K1・θ))^K2＝C・To^K2・exp(K1・K2・θ)＝Go・exp(K1・K2・θ)…式４
前記式４において、Goは定数C・To^K2であり、式４は、運転者による操舵ハンドル１１の操舵角θに対して見込み横加速度Gdが指数関数的に変化していることを示す。そして、この見込み横加速度Gdは、車内の所定部位への運転者の体の一部の接触によって運転者が知覚し得る物理量であり、前述したウェーバー・ヘフナーの法則に従ったものである。したがって、運転者が、この見込み横加速度Gdに等しい横加速度を知覚しながら操舵ハンドル１１を回動操作することができれば、操舵ハンドル１１の回動操作と車両の操舵との関係を人間の知覚特性に対応させることができる。

このように、前記式３（すなわち式４）に示された見込み横加速度Gdは操舵ハンドル１１の操作量である操舵角θに対して指数関数的に変化するものであるので、人間の知覚特定に合ったものである。さらに、運転者による操舵ハンドル１１の回動操作にとって最も簡単な方法は操舵ハンドル１１を一定速度ω（θ＝ω・t）で回動することであり、この回動操作によれば、見込み横加速度Gdは下記式５に示すように時間tに対して指数関数的に変化する。したがって、これからも、前記見込み横加速度Gdに等しい横加速度を知覚しながら操舵ハンドル１１を回動操作することができれば、運転者の操舵ハンドル１１の回動操作が簡単になることがわかる。
Gd＝Go・exp(K0・ω・t) …式５
ただし、K0は、K0＝K1・K2の関係にある定数である。

また、前記式２に示されるように、操舵トルクTdが所定値To未満である場合、見込み横加速度Gdは「０」に保たれている。これは、操舵角θが「０」のとき、すなわち操舵ハンドル１１が中立位置に保たれる場合でも、前記式１の演算により、操舵トルクTdは正の所定値Toになり、この操舵トルクTd（＝To）を前記式３の演算に適用してしまうと、見込み横加速度Gdは正の値C・To^K2になって、これは現実的でない。しかしながら、前述のように、操舵トルクTdが所定値To未満であれば、見込み横加速度Gdは「０」であるので、この問題は解決される。

また、この場合、運転者が知覚し得る最小感知横加速度をGoとし、かつ所定値ToがGo＝C・To^K2の関係になるようにすれば、操舵トルクTdが所定値Toになるまで、すなわち運転者が操舵ハンドル１１の操作によって車両が旋回して運転者が車両に発生する横加速度を感じるまで、車両の見込み横加速度Gdが「０」に保たれる。これによれば、最小操舵トルクTo以上で操舵ハンドル１１を操舵したときのみ、見込み横加速度Gdを発生させるために必要な転舵角だけ左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は転舵制御され、この転舵制御が車両の操舵に的確に対応したものとなる。

次に、前記式１〜５で用いたパラメータK1，K2，C（所定値K1，K2，C）の決め方について説明しておく。なお、このパラメータK1，K2，Cの決め方についての説明では、前記式１〜５の操舵トルクTdおよび見込み横加速度Gdについては、操舵トルクTおよび横加速度Gとして扱う。前述したウェーバー・ヘフナーの法則によれば、「人間の知覚できる最小の物理量変化ΔＳとその時点での物理量Ｓとの比ΔＳ／Ｓは、物理量Ｓの値によらず一定となり、その比ΔＳ／Ｓをウェーバー比という」ことになっている。本発明者等は、操舵トルクおよび横加速度に関し、前記ウェーバー・ヘフナーの法則が成立することを確認するとともに、ウェーバー比を決定するために、次のような実験を、男女、年齢、車両の運転履歴などの異なる種々の人間に対して行った。

操舵トルクに関しては、車両の操舵ハンドルにトルクセンサを組み付け、操舵ハンドルに検査用のトルクを外部から付与するとともに同検査用トルクを種々の態様で変化させながら、この検査用トルクに抗して人間が操舵ハンドルに操作力を加えて同操舵ハンドルを回転させないように調整する人間の操舵トルク調整能力を計測した。すなわち、前記状況下で、ある時点での検出操作トルクをTとし、同検出操舵トルクTからの変化を知覚し得る最小の操舵トルク変化量をΔTとしたときの比の値ΔT／Tすなわちウェーバー比を種々の人間に対して計測した。この実験結果によれば、操舵ハンドルの操作方向、操舵ハンドルを把持する手の状態、検査用トルクの大きさおよび方向によらず、ウェーバー比ΔT／Tはほぼ一定の０．０３程度であった。

横加速度に関しては、運転席の側方に壁部材を設けて同壁部材に人間の肩の押圧力を検出する力センサを組み付け、人間に操舵ハンドルを把持させるとともに壁部材の力センサに方を接触させ、壁部材に検査用の力を人間に対して横方向に外部から付与するととともに同検査用の力を種々の態様で変化させながら、この検査用の力に抗して人間が壁部材を押して壁部材が移動しないように調整する、すなわち姿勢を維持する人間の横力調整能力を計測した。すなわち、前記状況下で、ある時点での外部からの横力に耐えて姿勢を維持する検出力をFとし、同検出力Fからの変化を知覚し得る最小の力変化量ΔFとしたときの比の値ΔF／Fすなわちウェーバー比を種々の人間に対して計測した。この実験の結果によれば、壁部材に付与される基準力の大きさおよび方向によらず、ウェーバー比ΔF／Fはほぼ一定の０．０９程度の値であった。

一方、前記式１を微分するとともに、同微分した式において式１を考慮すると、下記式６が成立する。
ΔT＝To・exp(K1・θ)・K1・Δθ＝T・K1・Δθ …式６
この式６を変形するとともに、前記実験により求めた操舵トルクに関するウェーバー比ΔT／TをKtとすると、下記式７が成立する。
K1＝ΔT／(T・Δθ)＝Kt／Δθ …式７

また、最大操舵トルクをTmaxとすれば、前記式１より下記式８が成立する。
Tmax＝To・exp(K1・θmax) …式８
この式８を変形すれば、下記式９が成立する。
K1＝log(Tmax／To)／θmax …式９
そして、前記式７および式９から下記式１０が導かれる。
Δθ＝Kt／K1＝Kt・θmax／log(Tmax／To) …式１０
この式１０において、Ktは操舵トルクTのウェーバー比であり、θmaxは操舵角の最大値であり、Tmaxは操舵トルクの最大値であり、Toは前記したように人間が知覚し得る最小感知横加速度Goに対応するように計算されたものであり、これらの値Kt，θmax，Tmax，Toはいずれも実験およびシステムによって決定される定数であるので、前記微分値Δθを前記式１０を用いて計算できる。そして、この微分値Δθとウェーバー比Ktを用いて、前記式７に基づいて所定値（係数）K1も計算できる。

また、前記式３を微分するとともに、同微分した式において式３を考慮すると、下記式１１が成立する。
ΔG＝C・K2・T^K2-1ΔT＝G・K2・ΔT／T …式１１
この式１１を変形し、かつ前記実験により求めた操舵トルクに関するウェーバー比ΔT／TをKtとするとともに、横加速度に関するウェーバー比ΔF／FをKaとすると下記式１２，１３が成立する。
ΔG／G＝K2・ΔT／T …式１２
K2＝Ka／Kt …式１３
この式１３において、Ktは操舵トルクに関するウェーバー比であるとともに、Kaは横加速度に関するウェーバー比であって、共に定数として与えられるものであるので、これらのウェーバー比Kt，Kaを用いて、前記式１３に基づいて係数K2も計算できる。

また、横加速度の最大値をGmaxとし、操舵トルクの最大値をTmaxとすれば、前記式３から下記式１４が導かれる。
C＝Gmax／Tmax^K2 …式１４
そして、この式１４においては、GmaxおよびTmaxは実験およびシステムによって決定される定数であり、かつK2は前記式１３によって計算されるものであるので、定数（係数）Cも計算できる。

以上のように、操舵角θの最大値θmax、操舵トルクTの最大値Tmax、横加速度Gの最大値Gmax、最小操舵トルクTo、最小感知横加速度Go、操舵トルクTに関するウェーバー比Ktおよび横加速度に関するウェーバー比Kaを、実験およびシステムによって決定すれば、前記式１〜４における係数K1，K2，Cを予め計算により決定しておくことができる。したがって、変位−トルク変換部４１およびトルク−横加速度変換部４２においては、前記式１〜４を用いて、運転者の知覚特性に合った操舵トルクTdおよび見込み横加速度Gdを計算できる。また、後述する反力制御部６０の変位−トルク変換部６１においては、前記式１と同様の下記式１７を用いることにより、運転者の知覚特性に合った反力トルクTzを計算できる。

ふたたび、図２の説明に戻ると、トルク−横加速度変換部４２にて計算された見込み横加速度Gdは、転舵角変換部４３に供給される。転舵角変換部４３は、見込み横加速度Gdを発生するのに必要な左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の目標転舵角δdを計算するものであり、図５に示すように車速Vに応じて変化して見込み横加速度Gdに対する目標転舵角δdの変化特性を表すテーブルを有する。このテーブルは、車速Vを変化させながら車両を走行させて、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角δと横加速度Gとを予め実測して収集したデータの集合である。そして、転舵角変換部４３は、このテーブルを参照して、前記入力した見込み横加速度Gdと車速センサ３３から入力した検出車速Vとに対応した目標転舵角δdを計算する。また、前記テーブルに記憶されている横加速度G（見込み横加速度Gd）と目標転舵角δdはいずれも正であるが、転舵角変換部４３から供給される見込み横加速度Gdが負であれば、出力される目標転舵角δdも負となる。

なお、目標転舵角δdは下記式１５に示すように車速Ｖと横加速度Gの関数であるので、前記テーブルを参照することに代えて、下記式１５の演算の実行によっても計算することができる。
δd＝L・(1＋A・V²)・Gd／V² …式１５
ただし、前記式１５中のLは車両のホイールベースを示す予め決められた所定値であり、Aは予め決められた所定値である。

この計算された目標転舵角δdは、転舵制御部５０の転舵角補正部５１に供給される。転舵角補正部５１は、トルク−横加速度変換部４２から見込み横加速度Gdを入力するとともに、横加速度センサ３４によって検出された実横加速度Gをも入力しており、下記式１６の演算を実行して、入力した目標転舵角δdを補正して補正目標転舵角δdaを計算する。
δda＝δd＋K3・(Gd−G) …式１６
ただし、係数K3は予め決められた正の定数であり、これにより実横加速度Gが見込み横加速度Gdに満たない場合には、補正目標転舵角δdaの絶対値が大きくなる側に補正される。また、実横加速度Gが見込み横加速度Gdを超える場合には、補正目標転舵角δdaは小さくなる側に補正される。この補正により、見込み横加速度Gdに必要な左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の目標転舵角δdがより精度よく確保される。

この計算された補正目標転舵角δdaは、駆動制御部５２に供給される。駆動制御部５２は、転舵角センサ３２によって検出された実転舵角δを入力し、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２が補正目標転舵角δdaに転舵されるように転舵アクチュエータ２１内の電動モータの回転をフィードバック制御する。また、駆動制御部５２は、駆動回路３７から転舵アクチュエータ２１内の電動モータに流れる駆動電流も入力し、同電動モータに転舵トルクに対応した大きさの駆動電流が適切に流れるように駆動回路３７をフィードバック制御する。この転舵アクチュエータ２１内の電動モータの駆動制御により、同電動モータの回転は、転舵出力軸２２を介してピニオンギア２３に伝達され、ピニオンギア２３によりラックバー２４を軸線方向に変位させる。そして、このラックバー２４が軸線方向に変位することにより、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は補正目標転舵角δdaに転舵される。

一方、反力制御部６０においては、変位−トルク変換部６１にて前記式１と同様な下記式１７に従って、操舵角θの指数関数である反力トルクTzを計算する。
Tz＝To・exp(K1・θ) …式１７
この場合も、前記式１７中のTo，K1は、前記式１と同様な定数である。また、前記式１７中の操舵角θは前記検出操舵角θの絶対値を表しているものであるが、検出操舵角θが正であれば定数Toを負の値とするとともに、検出操舵角θが負であれば定数Toを前記負の定数Toと同じ絶対値を有する正の値とする。ここで、この場合も、前記式１７の演算に代えて、操舵角θに対する反力トルクTzを記憶した図３に示すような特性の変換テーブルを用いて、反力トルクTzを計算するようにしてもよい。

また、操舵角センサ３１によって検出された操舵角θは、反力制御部６０の微分器６２および戻り粘性力計算部６３にも出力される。微分器６２は、検出操舵角θを時間tで微分し、同微分した値すなわち操舵ハンドル１１の操舵角速度θ’を戻り粘性力計算部６３に出力する。戻り粘性力計算部６３は、運転者が操舵後、例えば、操舵ハンドル１１を中立位置すなわち左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２を直進位置へ戻すために手を放した場合に、一定の角速度で操舵ハンドル１１を戻すように粘性力を発生させるための係数（以下、トルク係数Trという）を下記式１８に従って計算する。
Tr＝−θ／｜θ｜・（1＋θ／｜θ｜・θ’／ωc） …式１８
ただし、前記式１８中の一定角速度ωcは、以下のように決定される。

本実施形態に係る操舵装置においては、上記したように、運転者は上記式１〜式４に基づいて、入力した操舵角θに対して見込んだ見込み横加速度Gdを知覚しながら操舵ハンドル１１を操舵することができる。言い換えると、操舵ハンドル１１を中立位置まで戻す際に、上記式１に従って操舵ハンドル１１を一定角速度ωcで回動させることにより、車両の軌跡および車両に働く横加速度を滑らかに（運転者が意図するように）進路に収束させることができる。このことに基づき、上記式１を下記式１９のように変形する。
Td＝To・exp(Kt・θ／θo) …式１９
ただし、Ktは操舵トルクに関するウェーバー比であり、θoは操舵トルクの最大値Tmaxと操舵角の最大値θmaxから決定される定数である。

このとき、運転者は横加速度G（見込み横加速度Gd）を操舵角速度θ’によってコントロールするため、上記式６に従うことにより、下記式２０が成立する。
Td’＝Td・(Kt・θ’／θo) …式２０
ここで、操舵角速度θ’が定数である場合、すなわち、一定の操舵角速度で操舵ハンドル１１が回動された場合には、この微分方程式を解くことにより、操舵トルクTdは時定数θo／（Kt・θ’）の指数関数によって変化する。

また、上記式１３が成立することにより、上述した操舵トルクに関するウェーバー比Ktと横加速度に関するウェーバー比Kaとの関係として、１：Kt／Kaが成立する。この関係に基づき、横加速度Gの時定数をTcとすると、操舵トルクTdの時定数θo／（Kt・θ’）から、Tc＝θo／（Ka・θ’）が成立する。さらに、上記式１０から、θo＝Kt・θmax／log(Tmax／To)と表されるので、横加速度Gの時定数Tcは下記式２１に示すようになる。
Tc＝Kt・θmax／（Ka・θ’）・log(Tmax／To) 式２１
前記式２１を操舵角速度θ’について整理すると、下記式２２に示すようになる。
θ’＝Kt・θmax／（Ka・Tc）・log(Tmax／To) 式２２
したがって、操舵角速度ωcは、下記式２３に示すようになる。
ωc＝Kt・θmax／（Ka・Tc）・log(Tmax／To) 式２３
このように、操舵角速度ωcを決定することにより、戻り粘性力計算部６３は、トルク係数Trを計算し、同計算したトルク係数Trを乗算器６４に供給する。

乗算器６４においては、変位−トルク変換部６１から供給された反力トルクTzと戻り粘性力計算部６３から供給されたトルク係数Trとを乗算して、戻り反力トルクTm＝Tz・Trを計算する。そして、乗算器６４は、計算した戻り反力トルクTmを駆動制御部６５に供給する。

このように、変位−トルク変換部６１によって計算された反力トルクTzと乗算器６４によって計算された戻り反力トルクTmは、それぞれ駆動制御部６５に供給される。駆動制御部６５は、操舵トルクセンサ３８によって検出された操舵トルクTを入力し、同入力された操舵トルクTの値に基づいて、運転者が操舵ハンドル１１から手を放しているか否かを判定する。そして、駆動制御部６５は、操舵トルクTが「０」よりも大きいすなわち運転者によって操舵ハンドル１１に操舵トルクが付与されていれば運転者が左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２を転舵するために操舵ハンドル１１を回動操作していると判定し、操舵ハンドル１１に付与する反力として変位−トルク変換部６１から供給された反力トルクTzを採用する。

これにより、駆動制御部６５は、駆動回路３６から反力アクチュエータ１３内の電動モータに流れる駆動電流を入力し、同電動モータに反力トルクTzに対応した駆動電流が流れるように駆動回路３６をフィードバック制御する。したがって、運転者は、操舵角θに対して指数関数的に変化する反力トルクTzを感じながら、言い換えればこの反力トルクTzに等しい操舵トルクを操舵ハンドル１１に加えながら、操舵ハンドル１１を回動操作することになる。この操舵角θと反力トルクTzの関係も上述したウェーバー・へフナーの法則に従うものであり、運転者は、操舵ハンドル１１から人間の知覚特性に合った感覚を受けながら、操舵ハンドル１１を回動操作できる。

一方、駆動制御部６５は、操舵トルクが「０」すなわち運転者によって操舵ハンドル１１に操舵トルクが付与されていなければ運転者が左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２を直進位置に戻すために操舵ハンドル１１から手を放していると判定し、操舵ハンドル１１に付与する反力として乗算器６４から供給された戻り反力トルクTmを採用する。これにより、駆動制御部６５は、駆動回路３６から反力アクチュエータ１３内の電動モータに流れる駆動電流を入力し、同電動モータに戻り反力トルクTmに対応した駆動電流が流れるように駆動回路３６をフィードバック制御する。したがって、操舵ハンドル１１は、一定の操舵角速度ωcによって中立位置方向へ回動する。

このように、戻り反力トルクTmを採用することにより、運転者が操舵ハンドル１１から手を放した場合であっても操舵ハンドル１１の急激な回動を防止し、操舵ハンドル１１を中立位置方向へ一定の操舵角速度ωcで回動させることができる。そして、この操舵ハンドル１１の回動に伴う操舵角θの変化に対応して、感覚適合制御部４０および転舵制御部５０が左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２を転舵制御することによって、車両を滑らかに進路に収束させることができる。

上記作動説明から理解できるように、第１実施形態によれば、操舵ハンドル１１に対する運転者の操作入力値としての操舵角θは変位−トルク変換部４１によって操舵トルクTdに変換されるとともに、同変換された操舵トルクTdはトルク−横加速度変換部４２によって見込み横加速度Gdに変換され、転舵角変換部４３、転舵角補正部５１および駆動制御部５２により、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は見込み横加速度Gdの発生に必要な補正目標転舵角δdaに転舵される。

この場合、操舵トルクTdは、反力トルクTzと等しいため、反力アクチュエータ１３の作用によって運転者が操舵ハンドル１１から知覚し得る物理量であるとともに、操舵角θに対して指数関数的に変化するものであるので、運転者はウェーバー・ヘフナーの法則に従った反力を感じながら人間の知覚特性に従って操舵ハンドル１１を回動操作できる。また、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵によって車両に発生する実横加速度Gも知覚し得る物理量であるとともに、この実横加速度Gは見込み横加速度Gdに等しくなるように制御される。さらに、この見込み横加速度Gdも運転者が入力した操舵角θに対してべき乗関数的（式３を式４に変形することにより指数関数的）に変化する。したがって、運転者はウェーバー・ヘフナーの法則に従った横加速度を感じながら人間の知覚特性に従って操舵ハンドル１１を回動操作して、車両を旋回させることができる。その結果、運転者は、人間の知覚特性に合わせて操舵ハンドル１１を操作できるので、車両の運転が簡単になる。

また、転舵角補正部６１は、車両に実際に発生している実横加速度Gが操舵ハンドル１１の操舵角θに正確に対応するように目標転舵角δdを補正するので、車両には操舵ハンドル１１の操舵角θに正確に対応した実横加速度Gが発生する。その結果、運転者は、人間の知覚特性により正確に合った横加速度を知覚しながら、操舵ハンドル１１を操作できるようになるので、車両の運転がより簡単になる。

さらに、運転者が操舵ハンドル１１から手を放して、操舵ハンドル１１を中立位置方向へ回動させる、すなわち、車両を直進状態とする場合には、反力制御部６０の駆動制御部６５によって操舵ハンドル１１は一定の操舵角速度ωcで回動される。このように、一定の操舵角速度ωcで操舵ハンドル１１を回動させることによって、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２を急激に転舵させることが防止でき、車両の揺れを効果的に防止できて、滑らかに進路を収束させることができる。

このとき、操舵ハンドル１１の回動に伴って変化する操舵角θが、感覚適合制御部４０の変位−トルク変換部４１およびトルク−横加速度変換部４２によって予め定めたべき乗関係（または指数関係）にある車両の見込み横加速度Gdに連続的に変換される。そして、転舵角変換部４３によって、この変換された見込み横加速度Gdに基づいて、同見込み横加速度Gdで車両が運動するために必要な左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の目標転舵角δdが連続的に計算される。この計算された目標転舵角δdは、転舵制御部５０の転舵角補正部５１によって補正目標転舵角δdaに補正されて、駆動制御部５２により左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２が連続的に転舵される。したがって、直進状態へ移行する車両の挙動は、運転者が見込んだ運動状態すなわち見込み横加速度Gdで変化するため、意図しない車両の挙動を排除することができて、車両の挙動を良好に安定させることができる。また、運転者が見込んだ見込み横加速度Gdで車両の挙動が変化するため、運転者は不安を感じることがない。

また、操舵ハンドル１１を反力制御部６０の戻り粘性力計算部６３および乗算器６４により計算された戻り反力トルクTmで中立位置方向へ回動させることによって、例えば、操舵ハンドル１１の角速度を検出するための他の装置（例えば、センサなど）を別途設ける必要がない。このため、操舵装置の製造コストを低減することもできて、好適である。

ａ．第１変形例
上記実施形態においては、操舵ハンドル１１の操作入力値として操舵角θを利用するように実施した。これに対して、操舵ハンドル１１の操作入力値として操舵トルクTを利用して実施することも可能である。その他の構成については、上記実施形態と同じであるが、電子制御ユニット３５にて実行されるコンピュータプログラムは上記実施形態の場合とは若干異なる。この第１変形例の場合には、前記コンピュータプログラムを表す図２の機能ブロック図において、変位−トルク変換部４１は設けられておらず、トルク−横加速度変換部４２が、上記実施形態における変位−トルク変換部４１にて計算される操舵トルクTdに代えて、操舵トルクセンサ３８によって検出された操舵トルクTを用いた式２，３の演算の実行により見込み横加速度Gdを計算する。なお、この場合も、式２，３の演算に代えて、図４に示す特性を表す変換テーブルを用いて見込み横加速度Gdを計算するようにしてもよい。なお、電子制御ユニット３５にて実行される他のプログラム処理については上記実施形態の場合と同じである。

この第１変形例によれば、操舵ハンドル１１に対する運転者の操作入力値としての操舵トルクTがトルク−横加速度変換部４２によって見込み横加速度Gdに変換され、転舵角変換部４３、転舵角補正部５１および駆動制御部５２により、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は見込み横加速度Gdの発生に必要な補正目標転舵角δdaに転舵される。そして、この場合も、操舵トルクTは運転者が操舵ハンドル１１から知覚し得る物理量であるとともに、操舵トルクTに対して見込み横加速度Gdはべき乗関数的に変化するものであるので、運転者はウェーバー・ヘフナーの法則に従った反力を感じながら人間の知覚特性に従って操舵ハンドル１１を回動操作できる。したがって、この第１変形例においても、上記実施形態の場合と同様に、運転者はウェーバー・ヘフナーの法則に従った横加速度を感じながら人間の知覚特性に従って操舵ハンドル１１を回動操作して、車両を旋回させることができるので、上記実施形態と同様な効果が期待される。

さらに、上記実施形態による車両の操舵制御と、前記第１変形例による車両の操舵制御とを切り替え可能にしてもよい。すなわち、上記実施形態のように変位−トルク変換部４１にて計算される目標転舵トルクTdを用いて見込み横加速度Gdを計算する場合と、操舵トルクセンサ３８によって検出された操舵トルクTを用いて見込み横加速度Gdを計算する場合とを切り替えて利用可能とすることもできる。この場合、前記切り替えを、運転者の意思により、または車両の運動状態に応じて自動的に切り替えるようにするとよい。

ｂ．第２変形例
次に、上記実施形態における運動状態量としての横加速度に代えて、ヨーレートを用いた第２変形例について説明する。この第２変形例における操舵装置は、図１に破線で示すように、上記実施形態における横加速度センサ３４に代えて、運転者が知覚し得る運動状態量である実ヨーレートγを検出するヨーレートセンサ３９を備えている。他の構成については、上記実施形態と同じであるが、電子制御ユニット３５にて実行されるコンピュータプログラムは上記実施形態の場合と若干異なる。

この第２変形例においては、電子制御ユニット３５にて実行されるコンピュータプログラムが図６の機能ブロック図により示されている。この場合、感覚適合制御部４０において、変位−トルク変換部４１は上記実施形態と同様に機能するが、上記実施形態のトルク−横加速度変換部４２に代えてトルク−ヨーレート変換部４４が設けられている。

このトルク−ヨーレート変換部４４は、変位−トルク変換部４１にて計算された操舵トルクTdを用いて、運転者が操舵ハンドル１１の回動操作により見込んでいる見込みヨーレートγdを、操舵トルクTdの絶対値が正の小さな所定値To未満であれば下記式２４のように「０」とし、操舵トルクTdの絶対値が正の小さな所定値To以上であれば下記式２５に従って計算する。
γd＝0 (｜Td｜＜To) …式２４
γd＝C・Td^K2 (To≦｜Td｜) …式２５
ただし、式２５中のC，K2は、上記実施形態と同じく定数である。また、この場合も、前記式２５中の操舵トルクTdは上記式１を用いて計算した操舵トルクTdの絶対値を表しているものであり、前記計算した操舵トルクTdが正であれば定数Cを正の値とするとともに、前記計算した操舵トルクTdが負であれば定数Cを前記正の定数Cと同じ絶対値を有する負の値とする。なお、この場合、前記式２４，２５の演算に代えて、操舵トルクTdに対する見込みヨーレートγdを記憶した図７に示すような特性の変換テーブルを用いて、見込みヨーレートγdを計算するようにしてもよい。

また、転舵角変換部４５は、見込みヨーレートγdを発生するのに必要な左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の目標転舵角δdを計算するものであり、図８に示すように車速Vに応じて変化して見込みヨーレートγdに対する目標転舵角δdの変化特性を表すテーブルを有する。このテーブルは、車速Vを変化させながら車両を走行させて、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角δとヨーレートγとを予め実測して収集したデータの集合である。そして、転舵角変換部４５は、このテーブルを参照して、前記入力した見込みヨーレートγdと車速センサ３３から入力した検出車速Ｖに対応した目標転舵角δdを計算する。また、前記テーブルに記憶されているヨーレートγ（見込みヨーレートγd）と目標転舵角δdは、いずれも正であるが、転舵角変換部４５から供給される見込みヨーレートγdが負であれば、出力される目標転舵角δdも負となる。

なお、目標転舵角δdは下記式２６に示すように車速Ｖとヨーレートγの関数であるので、前記テーブルを参照することに代えて、下記式２６の演算の実行によっても計算することができる。
δd＝L・(1＋A・V²)・γd／V …式２６
ただし、前記式２６においても、Lはホイールベースを示す予め決められた所定値であり、Aは予め決められた所定値である。

この計算された目標転舵角δdは、転舵制御部５０の転舵角補正部５３に供給される。転舵角補正部５３は、トルク−ヨーレート変換部４４から見込みヨーレートγdを入力するとともに、ヨーレートセンサ３９によって検出された実ヨーレートγをも入力しており、下記式２７の演算を実行して、入力した目標転舵角δdを補正して補正目標転舵角δdaを計算する。
δda＝δd＋K4・(γd−γ) …式２７
ただし、係数K4は予め決められた正の定数であり、実ヨーレートγが見込みヨーレートγdに満たない場合には、補正目標転舵角δdaの絶対値が大きくなる側に補正される。また、実ヨーレートγが見込みヨーレートγdを超える場合には、補正目標転舵角δdaの絶対値が小さくなる側に補正される。この補正により、見込みヨーレートγdに必要な左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角がより精度よく確保される。

また、電子制御ユニット３５にて実行される他のプログラム処理については上記実施形態の場合と同じである。そして、図６の機能ブロック図において、上記実施形態の図２と同一の符号を付してその説明を省略する。

そして、上記説明した第２変形例においても、操舵ハンドル１１に対する運転者の操作入力値としての操舵角θは変位−トルク変換部４１によって操舵トルクTdに変換されるとともに、同変換された操舵トルクTdはトルク−ヨーレート変換部４４によって見込みヨーレートγdに変換され、転舵角変換部４５、転舵角補正部５３および駆動制御部５２により左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は見込みヨーレートγdの発生に必要な補正目標転舵角δdaに転舵される。この場合も、操舵トルクTdは、反力トルクTzと等しいため、反力アクチュエータ１３の作用によって運転者が操舵ハンドル１１から知覚し得る物理量であるとともに、操舵角θに対して指数関数的に変化するものであるので、運転者はウェーバー・ヘフナーの法則に従った反力を感じながら人間の知覚特性に従って操舵ハンドル１１を回動操作できる。

また、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵によって車両に発生するヨーレートγも知覚し得る物理量であるとともに、このヨーレートγは見込みヨーレートγdに等しくなるように制御され、さらに、この見込みヨーレートγdも操舵角θに対してべき乗関数的に（上記実施形態の式３から式４への変形と同様に式２５を変形することにより指数関数的に）変化する。したがって、運転者はウェーバー・ヘフナーの法則に従ったヨーレートを感じながら人間の知覚特性に従って操舵ハンドル１１を回動操作して、車両を旋回させることができる。その結果、運転者は、上記実施形態の場合と同様に、人間の知覚特性に合わせて操舵ハンドル１１を操作できるので、車両の運転が簡単になる。

このとき、操舵ハンドル１１の回動に伴って変化する操舵角θが、感覚適合制御部４０の変位−トルク変換部４１およびトルク−ヨーレート変換部４４によって予め定めたべき乗関係（または指数関係）にある車両の見込みヨーレートγdに連続的に変換される。そして、転舵角変換部４５によって、この変換された見込みヨーレートγdに基づいて、同見込みヨーレートγdで車両が運動するために必要な左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の目標転舵角δdが連続的に計算される。この計算された目標転舵角δdは、転舵制御部５０の転舵角補正部５３によって補正目標転舵角δdaに補正されて、駆動制御部５２により左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２が連続的に転舵される。したがって、直進状態へ移行する車両の挙動は、運転者が見込んだ運動状態すなわち見込みヨーレートγdで変化するため、意図しない車両の挙動を排除することができて、車両の挙動を良好に安定させることができる。また、運転者が見込んだ見込みヨーレートγdで車両の挙動が変化するため、運転者は不安を感じることがない。

ｃ．第３変形例
次に、上記実施形態における運動状態量としての横加速度に代えて、旋回曲率を用いた第３変形例について説明する。この第３変形例における操舵装置は、上記実施形態と同様に図１に示すように構成されている。ただし、電子制御ユニット３５にて実行されるコンピュータプログラムが上記実施形態の場合とは若干異なる。

この第３変形例においては、電子制御ユニット３５にて実行されるコンピュータプログラムが図９の機能ブロック図により示されている。この場合、感覚適合制御部４０において、変位−トルク変換部４１は上記実施形態と同様に機能するが、上記実施形態のトルク−横加速度変換部４２に代えてトルク−旋回曲率変換部４６が設けられている。

このトルク−旋回曲率変換部４６は、変位−トルク変換部４１にて計算された操舵トルクTdを用いて、運転者が操舵ハンドル１１の回動操作により見込んでいる見込み旋回曲率ρdを、操舵トルクTdの絶対値が正の小さな所定値To未満であれば下記式２８にように「０」とし、操舵トルクTdの絶対値が正の小さな所定値To以上であれば下記式２９に従って計算する。
ρd＝0 (｜Td｜＜To) …式２８
ρd＝C・Td^K2 (To≦｜Td｜) …式２９
ただし、式２９中のC，K2は、上記実施形態と同じく定数である。また、この場合も、前記式２９中の操舵トルクTdは上記式１を用いて計算した操舵トルクTdの絶対値を表しているものであり、前記計算した操舵トルクTdが正であれば定数Cを正の値とするとともに、前記計算した操舵トルクTdが正であれば定数Cを前記正の定数Cと同じ絶対値を有する負の値とする。なお、この場合、前記式２８，２９の演算に代えて、操舵トルクTdに対する見込み旋回曲率ρdを記憶した図１０に示すような特性の変換テーブルを用いて、見込み旋回曲率ρdを計算するようにしてもよい。

また、転舵角変換部４７は、見込み旋回曲率ρdを発生するのに必要な左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の目標転舵角δdを計算するものであり、図１１に示すように車速Vに応じて変化して見込み旋回曲率ρdに対する目標転舵角δdの変化特性を表すテーブルを有する。このテーブルは、車速Vを変化させながら車両を走行させて、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角δと旋回曲率ρとを予め実測して収集したデータの集合である。そして、転舵角変換部４７は、このテーブルを参照して、前記入力した見込み旋回曲率ρdと車速センサ３３から入力した検出車速Vとに対応した目標転舵角δdを計算する。また、前記テーブルに記憶されている旋回曲率ρ（見込み旋回曲率ρd）と目標転舵角δdはいずれも正であるが、トルク−旋回曲率変換部４６から供給される見込み旋回曲率ρdが負であれば、出力される目標転舵角δdも負となる。

なお、目標転舵角δdは下記式３０に示すように車速Vと旋回曲率ρの関数であるので、前記テーブルを参照することに代えて、下記式３０の演算の実行によっても計算することができる。
δd＝L・(1＋A・V²)・ρd …式３０
ただし、前記式３０においても、Lはホイールベースを表す予め決められた所定値であり、Aは予め決められた所定値である。

この計算された目標転舵角δdは、転舵制御部５０の転舵角補正部５４に供給される。転舵角補正部５４は、トルク−旋回曲率変換部４６から見込み旋回曲率ρdを入力するとともに、旋回曲率計算部５５から実旋回曲率ρも入力する。旋回曲率計算部５５は、横加速度センサ３４によって検出された横加速度Gまたはヨーレートセンサ３９によって検出されたヨーレートγと、車速センサ３３によって検出された車速Vとを用いて、下記式３１の演算の実行により実旋回曲率ρを計算して転舵角補正部５４に出力する。
ρ＝G／V²またはρ＝γ／V …式３１

そして、転舵角補正部５４は、下記式３２の演算を実行して、入力した目標転舵角δdを補正して補正目標転舵角δdaを計算する。
δda＝δd＋K5・(ρd−ρ) …式３２
ただし、係数K5は予め決められた正の定数であり、実旋回曲率ρが見込み旋回曲率ρdに満たない場合には、補正目標転舵角δdaの絶対値が大きくなる側に補正される。また、実旋回曲率ρが見込み旋回曲率ρdを超える場合には、補正目標転舵角δdaの絶対値が小さくなる側に補正される。この補正により、見込み旋回曲率ρdに必要な左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角がより精度よく確保される。

また、電子制御ユニット３５にて実行される他のプログラム処理については上記実施形態の場合と同じである。そして、図９の機能ブロック図において、上記実施形態の図２と同一の符号を付してその説明を省略する。

そして、上記説明した第３変形例においても、操舵ハンドル１１に対する運転者の操作入力値としての操舵角θは変位−トルク変換部４１によって操舵トルクTdに変換されるとともに、同変換された操舵トルクTdはトルク−旋回曲率変換部４６によって見込み旋回曲率ρdに変換され、転舵角変換部４７、転舵角補正部５４および駆動制御部５２により、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は見込み旋回曲率ρdの発生に必要な補正目標転舵角δdaに転舵される。この場合も、操舵トルクTdは、反力トルクTzと等しいため、反力アクチュエータ１３の作用によって運転者が操舵ハンドル１１から知覚し得る物理量であるとともに、操舵角θに対して指数関数的に変化するものであるので、運転者はウェーバー・ヘフナーの法則に従った反力を感じながら人間の知覚特性に従って操舵ハンドル１１を回動操作できる。

また、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵による旋回曲率も視覚によって知覚し得る物理量であるとともに、この旋回曲率ρは見込み旋回曲率ρdに等しくなるように制御され、さらに、この見込み旋回曲率ρdも操舵角θに対してべき乗関数的に（上記実施形態の式３から式４への変形と同様に式２９を変形することにより指数関数的に）変化する。したがって、運転者はウェーバー・ヘフナーの法則に従った旋回曲率を視覚により知覚しながら人間の知覚特性に従って操舵ハンドル１１を回動操作して、車両を旋回させることができる。その結果、運転者は上記実施形態の場合と同様に、人間の知覚特性に合わせて操舵ハンドル１１を操作できるので、車両の運転が簡単になる。

このとき、操舵ハンドル１１の回動に伴って変化する操舵角θが、感覚適合制御部４０の変位−トルク変換部４１およびトルク−旋回曲率変換部４６によって予め定めたべき乗関係（または指数関係）にある車両の見込み旋回曲率ρdに連続的に変換される。そして、転舵角変換部４７によって、この変換された見込み旋回曲率ρdに基づいて、同見込み旋回曲率ρdで車両が運動するために必要な左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の目標転舵角δdが連続的に計算される。この計算された目標転舵角δdは、転舵制御部５０の転舵角補正部５４によって補正目標転舵角δdaに補正されて、駆動制御部５２により左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２が連続的に転舵される。したがって、直進状態へ移行する車両の挙動は、運転者が見込んだ運動状態すなわち見込み旋回曲率ρdで変化するため、意図しない車両の挙動を排除することができて、車両の挙動を良好に安定させることができる。また、運転者が見込んだ見込み旋回曲率ρdで車両の挙動が変化するため、運転者は不安を感じることがない。

さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態および各変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態および各変形例においては、操舵ハンドルに入力された操作入力値としての操舵角や操舵トルクを見込み運動状態量に変換し、同変換した見込み運動状態量を用いて転舵角を計算するステアバイワイヤ方式の車両の操舵装置に適用して実施した。しかしながら、操舵ハンドルに入力された操舵角や操舵トルクに基づいて転舵角を直接計算し、転舵アクチュエータによって転舵輪を転舵角となるように転舵する従来のステアリングバイワイヤ方式の車両の操舵装置に適用して実施することも可能である。この場合においても、従来のステアリングバイワイヤ方式の車両の操舵装置に対して、上記説明したトルク係数Trを計算するとともに戻り反力トルクTmを計算し、運転者が操舵ハンドルから手を放したときには戻り反力トルクTmによって操舵ハンドルを中立位置方向へ回動させることにより、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態および各変形例においては、車両を操舵するために回動操作される操舵ハンドル１１を用いるようにした。しかし、これに代えて、例えば、直線的に変位するジョイスティックタイプの操舵ハンドルを用いてもよいし、その他、運転者によって操作されるとともに車両に対する操舵を指示できるものであれば、いかなるものを用いてもよい。

また、上記実施形態および各変形例においては、転舵アクチュエータ２１を用いて転舵出力軸２２を回転させることにより、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２を転舵するようにした。しかし、これに代えて、転舵アクチュエータ２１を用いてラックバー２３をリニアに変位させることにより、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２を転舵するようにしてもよい。

さらに、上記実施形態および各変形例においては、人間が知覚し得る車両の運動状態量として、横加速度、ヨーレートおよび旋回曲率をそれぞれ単独で用いるようにした。しかし、これらの車両の運動状態量を、運転者による選択操作により切り替え、または車両の走行状態に応じて自動的に切り替えて、車両の操舵制御を行うようにしてもよい。車両の走行状態に応じて自動的に切り替える場合、例えば、車両の低速走行時には前記運動状態量として旋回曲率を用い、車両の中速走行時には前記運動状態量としてヨーレートを用い、かつ車両の高速走行時には前記運動状態量として横加速度を用いるようにする。これによれば、車両の走行状態に応じて適切な車両の操舵制御がなされ、車両の運転がより易しくなる。

本発明の一実施形態の車両の操舵装置の概略図である。本発明の一実施形態に係り、図１の電子制御ユニットにて実行される転舵制御のコンピュータプログラム処理を機能的に表す機能ブロック図である。操舵角と操舵トルクの関係を示すグラフである。操舵トルクと見込み横加速度の関係を示すグラフである。見込み横加速度と目標転舵角の関係を示すグラフである。本発明の第２変形例に係り、図１の電子制御ユニットにて実行される転舵制御のコンピュータプログラム処理を機能的に表す機能ブロック図である。操舵トルクと見込みヨーレートの関係を示すグラフである。見込みヨーレートと目標転舵角の関係を示すグラフである。本発明の第３変形例に係り、図１の電子制御ユニットにて実行される転舵制御のコンピュータプログラム処理を機能的に表す機能ブロック図である。操舵トルクと見込み旋回曲率の関係を示すグラフである。見込み旋回曲率と目標転舵角の関係を示すグラフである。

符号の説明

ＦＷ１，ＦＷ２…左右前輪、１１…操舵ハンドル、１２…操舵入力軸、１３…反力アクチュエータ、２１…転舵アクチュエータ、２２…転舵出力軸、２５…待機系転舵アクチュエータ、３１…操舵角センサ、３２…転舵角センサ、３３…車速センサ、３４…横加速度センサ、３５…電子制御ユニット、３８…ヨーレートセンサ、４０…感覚適合制御部、４１…変位−トルク変換部、４２…トルク−横加速度変換部、４３，４５，４７…転舵角変換部、４４…トルク−ヨーレート変換部、４６…トルク−旋回曲率変換部、５０…転舵制御部、５１，５３，５４…転舵角補正部、６０…反力制御部、６１…変位−トルク変換部、６２…微分器、６３…戻り粘性力計算部、６４…乗算器、６５…駆動制御部

Claims

車両を操舵するために運転者によって操作される操舵ハンドルと、同操舵ハンドルの操作に対して反力を付与する反力アクチュエータと、転舵輪を転舵するための転舵アクチュエータと、前記操舵ハンドルの操作に応じて前記転舵アクチュエータを駆動制御して転舵輪を転舵する転舵制御装置とを備えたステアリングバイワイヤ方式の車両の操舵装置において、前記転舵制御装置は、
前記操舵ハンドルの変位量を検出する変位量センサと、
前記検出された変位量を前記操舵ハンドルに付与される操作力に変換する操作力変換手段と、
車両の旋回に関係して運転者が知覚し得る車両の運転状態量を表していて、前記運動状態量に関する予め決められたウェーバー比を前記操作力に関する予め決められたウェーバー比で除算した値を指数とする前記操作力のべき乗関数として定義される車両の見込み運動状態量を、前記変換された操作力を用いて計算する運動状態量計算手段と、
前記計算された見込み運動状態量で車両が運動するために必要な前記転舵輪の転舵角を、前記計算された見込み運動状態量を用いて計算する転舵角計算手段と、
前記計算された転舵角に応じて前記転舵アクチュエータを制御して前記転舵輪を同計算された転舵角に転舵する転舵制御手段と、
前記反力アクチュエータの作動を制御して前記操舵ハンドルを所定の角速度によって前記操舵ハンドルの中立位置方向へ回動させる反力アクチュエータ制御手段とを備えていることを特徴とするステアリングバイワイヤ方式の車両の操舵装置。
車両を操舵するために運転者によって操作される操舵ハンドルと、同操舵ハンドルの操作に対して反力を付与する反力アクチュエータと、転舵輪を転舵するための転舵アクチュエータと、前記操舵ハンドルの操作に応じて前記転舵アクチュエータを駆動制御して転舵輪を転舵する転舵制御装置とを備えたステアリングバイワイヤ方式の車両の操舵装置において、前記転舵制御装置は、
前記操舵ハンドルに付与される操作力を検出する操作力センサと、
車両の旋回に関係して運転者が知覚し得る車両の運転状態量を表していて、前記運動状態量に関する予め決められたウェーバー比を前記操作力に関する予め決められたウェーバー比で除算した値を指数とする前記操作力のべき乗関数として定義される車両の見込み運動状態量を、前記検出された操作力を用いて計算する運動状態量計算手段と、
前記計算された見込み運動状態量で車両が運動するために必要な前記転舵輪の転舵角を、前記計算された見込み運動状態量を用いて計算する転舵角計算手段と、
前記計算された転舵角に応じて前記転舵アクチュエータを制御して前記転舵輪を同計算された転舵角に転舵する転舵制御手段と、
前記反力アクチュエータの作動を制御して前記操舵ハンドルを所定の角速度によって前記操舵ハンドルの中立位置方向へ回動させる反力アクチュエータ制御手段とを備えていることを特徴とするステアリングバイワイヤ方式の車両の操舵装置。
請求項１または請求項２に記載したステアリングバイワイヤ方式の車両の操舵装置において、さらに、
前記所定の角速度によって前記操舵ハンドルを前記中立位置方向へ回動させるための戻り反力を計算する戻り反力計算手段を備え、
前記反力アクチュエータ制御手段は、前記戻り反力計算手段によって計算された戻り反力を前記操舵ハンドルに付与して、前記操舵ハンドルを前記中立位置方向へ回動させることを特徴とするステアリングバイワイヤ方式の車両の操舵装置。
請求項１または請求項２に記載したステアリングバイワイヤ方式の車両の操舵装置において、
前記見込み運動状態量は、車両の横加速度、ヨーレートおよび旋回曲率のうちのいずれか一つであるステアリングバイワイヤ方式の車両の操舵装置。