JP4391927B2 - 車両操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は車両操舵装置に関し、特に、ハンドル等の操作素子による操舵入力に対し転舵輪の転舵角を任意に制御するステア・バイ・ワイヤ式等の電子制御式の車両操舵装置であり、緊急回避時等の素早くかつ的確な操舵が必要なときに当該操舵を容易に行える車両操舵装置に関する。

下記の特許文献１に記載された操舵制御装置を説明する。この操舵制御装置は、ハンドル等の操作素子と転舵輪（通常は前側タイヤ）との間が機械的に分離された構造を有し、操舵のための連結機構が電子制御装置で置き換えられ、操作素子による操舵入力に対して転舵輪の転舵角を任意に制御できるように構成されたステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）方式の車両操舵装置に適用される。この種の操舵制御装置によれば、運転者がハンドル等を回転して操舵操作を行うと、その操舵内容が電気的信号に変換され、この電気的信号は電子制御装置に与えられて制御信号に変換され、この制御信号によって転舵輪の駆動装置に上記操舵内容に係る情報が与えられ、転舵輪の転舵角（「舵角」または「前輪舵角」ともいう）を制御・調整する。上記電子制御装置では、ハンドル等で与えられる操舵角を目標操舵角とし、転舵角センサの検出作用で得られる転舵輪の転舵角を実舵角とし、実舵角が目標操舵角と一致するようにフィードバック制御を行っている。特許文献１に開示される操舵制御装置の特徴は、フィードバック制御におけるゲインを車両の走行状態に応じて調整し、適切な操舵制御を行えるようにしたことである。より具体的には、車速に応じて舵角比を変化させ、操舵ゲインを変えるシステムとして構成されている。
特開平１０−２６４８３８号公報

現在のハンドル角が前輪舵角と一定の比で比例する車両操舵系では、低中速時の緊急回避時等の操舵は操舵角が大きくなってしまう。また仮に、この操舵系を、緊急回避時に大きな操舵角を必要としないように応答性を高くした操舵系として構成すると、通常走行時の定常ゲインが大きくなりすぎ、感度が高くなり、運転者の緊張を高めてしまう。これは、制御の立場から見ると、操舵入力に対応する車両運動の定常応答ゲインが、低中速時では高速時に比較して低いのが１つの原因である。

特許文献１に開示された操舵制御装置では、ハンドル角と前輪舵角との比を車速に応じて変更し、定常応答ゲインの変化を緩和し、低中速時の緊急回避での操舵角が過大になることを防いでいる。しかし、このことを制御の立場から見ると、応答ゲインはハンドル操舵速度にも関係し、一般的に速い操舵操作では応答ゲインは低下する。これは、車速に拘らず、緊急回避での操舵角が過大になるもう１つの原因になっている。

上記の点を考慮すると、ハンドル角と前輪舵角との比を単純に変更するだけでは、操舵周波数の変化による応答ゲインの低下にまで対処することはできず、緊急時のごとき操舵周波数の変化に対する効果としては不十分である。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、操作素子入力に対して転舵輪の転舵角を任意に制御できる電子制御式の車両操舵装置において、通常走行時には今まで通りの緊張を必要としない通常の操舵を可能にしつつ、緊急回避等の緊急時には通常の操舵と同様であって大きな操舵角を必要とせず、的確な回避操舵を容易に行うことができる車両操舵装置を提供することにある。

本発明に係る車両操舵装置は、上記目的を達成するために、次のように構成される。

本発明に係る車両操舵装置（請求項１に対応）は、運転者によって操舵操作される操作素子と、この操作素子の操作状態量を検出する操作状態量検出部と、転舵輪の向きを変更する転舵アクチュエータ（転舵駆動機構）と、操舵状態量検出部から出力された操作状態量に係る操舵信号に応じて転舵アクチュエータを駆動する制御部とを備える車両操舵装置において、さらに、操舵状態量検出部が出力する操舵信号に位相進み成分を加える位相成分調整部と、車両の挙動量を検出する挙動量検出部と、挙動量検出部が出力する挙動量信号をフィードバック信号として上記位相成分調整部の出力信号に付加する信号付加部とを備えるように構成される。この車両操舵装置では、操作状態量検出部から出力される操作状態量に係る操舵信号に位相進み成分を加え、さらに挙動量信号をフィードバックして付加してなる信号を制御部に供給して、転舵アクチュエータを駆動する。従って転舵輪の転舵角は、操舵信号の位相進み要素、および車両の挙動状態を加味して決定される。

また本発明に係る車両操舵装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、車両の挙動量はヨーレートまたは横加速度であることで特徴づけられる。

本発明によれば、操作素子による操舵入力に対して転舵輪の転舵角を任意に制御できる電子制御式の車両操舵装置において、操舵角に係る操舵信号に位相進み成分を加え、さらにヨーレートまたは横加速度の挙動量をフィードバックして制御信号を生成するようにしたため、通常走行時には運転者が扱い易い操舵応答性を維持すると共に、緊急回避時には応答性を高め、通常の操舵と同様に過大な操舵角を必要とせず、容易に的確な回避操舵を行うことができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施形態に係る車両操舵装置の模式的な装置構造を示し、図２は車両操舵装置の制御系のブロック図を示す。

この車両操舵装置１０は、操作素子１１（以下では「ハンドル１１」という）の操舵入力に対して、転舵輪である前側タイヤ１２の転舵角（舵角と同義）を任意に制御できる電子制御式の車両操舵装置である。

運転者がハンドル１１を操舵したとき、運転者の操舵操作で生じた回転角すなわち操舵角は、電子的な制御システムの制御機能に基づき、転舵駆動機構１３を介して、前側タイヤ１２でそれに対応する転舵角を発生させる。運転者は、ハンドル１１を操作することにより、運転者自身が希望する車両運動（または車両進行方位等）に係る情報を電子的制御システムに入力する。ハンドル１１における運転者による操舵操作量は操舵角センサ１４で検出される。

車両操舵装置１０において、ハンドル１１の操舵軸１５には、上記の操舵角センサ１４と、操舵反力付加モータ１６と、操舵トルクセンサ１７とが付設されている。

操舵反力付加モータ１６は、操舵軸１５およびハンドル１１を介して運転者に反力を与えるためのものである。ハンドル１１は、前述の通り、機械的な構造として前側タイヤ１２に連結されていないので、ハンドル操作時に運転者の操舵フィーリングとして反力を与えることが必要となる。

操舵トルクセンサ１７は、操舵反力付加モータ１６が発生する操舵反力に抗して運転者がハンドル１１を操舵操作する時に生じる操舵トルクを検出する。

また２つの前側タイヤ１２は上記転舵駆動機構１３の両側に配置されている。転舵駆動機構１３は中央に転舵用のステアリングモータ１８を備え、さらに両端部の外側に延設されたタイロッド１９と、その先に設けられたナックルアーム２０とを備えている。ナックルアーム２０に前側タイヤ１２が結合されている。転舵駆動機構１３には、ステアリングモータ１８が駆動されることにより生じる転舵角を検出する転舵角センサ２１が付設されている。

その他の検出系としては、車速センサ２２、ヨーレートまたは横加速度を検出する車両挙動センサ２３が設けられている。

２４は電子制御ユニットであるＥＣＵである。ＥＣＵ２４は車両操舵装置の制御系を形成する。ＥＣＵ２４に対する入力要素は、操舵角センサ１４と操作トルクセンサ１７と転舵角センサ２１と車速センサ２２と車両挙動センサ２３である。ＥＣＵ２４に対する出力要素は、操舵反力付加モータ１６と転舵用ステアリングモータ１８である。

図２に従って車両操舵装置の制御系の構成を説明する。図２では、上記ＥＣＵ２４が破線のブロックで示され、さらにその内部構成がブロック図で示されている。

ＥＣＵ２４内に設けられた車両操舵装置の制御系において、操舵角センサ１４から出力された操舵信号は、位相進み要素部３１および減算部３２を経由して目標転舵角設定部３３に入力される。操舵信号はハンドル１１の操舵角に係る信号である。位相進み要素部３１の伝達関数は、Ｋ₁（１＋ａＴ₁ｓ）／（１＋Ｔ₁ｓ）の式で与えられている。この式で、Ｋ₁はゲイン定数、Ｔ₁は時定数であり、ａは比例定数で１＜ａの条件で設定される。この伝達関数に基づき位相進み補償器としての機能が実現される。

また減算部３２には、車両挙動センサ２３から出力された挙動信号がフィードバック要素部３４を経由して入力される。挙動信号はヨーレートに係る信号または横加速度に係る信号である。減算部３２は、位相進み要素部３１を経由した上記操舵信号から、フィードバック要素部３４を経由した当該挙動信号を減算し、得られた偏差信号ＳＧ１を次段の目標転舵角設定部３３に供給する。

車両挙動センサ２３で検出される車両の挙動（ヨーレートまたは横加速度）に係る信号をフィードバック要素部３４を経由して減算部３２に供給することにより、フィードバック経路が形成される。フィードバック経路を形成するフィードバック要素部３４の伝達関数はＫ₂（１＋ｂＴ₂ｓ）／（１＋Ｔ₂ｓ）の式で与えられている。この式で、Ｋ₂はゲイン定数、Ｔ₂は時定数であり、ｂは比例定数でｂ＜１の条件で設定される。フィードバック要素は、一般的に、加速度や速度の情報から、加速度、速度、位置がフィードバックされ、定数または積分型の要素として設定される。上記の式は、当該フィードバック要素を実現する一般形として表現されている。上記のｂとＴの選び方によって定数から積分要素までの特性に変化させることが可能となる。

目標転舵角設定部３３には、上記の偏差信号ＳＧ１を入力すると共に、車速センサ２２から車速信号を入力している。目標転舵角設定部３３は、車速の条件に応じて、偏差信号ＳＧ１を目標値信号としてハンドル１１の操舵角に対応した目標転舵角を設定し、目標転舵角信号を出力する。この目標転舵角信号は次段の減算部３５に供給される。減算部３５は、目標転舵角信号から、転舵角センサ２１で出力される実際の転舵角に係る信号を減算し、その偏差信号ＳＧ２を出力する。

また目標操舵反力設定部３６は、操舵反力付加モータ１６を駆動してハンドル１１に操舵反力を与えるため、操舵反力の目標値を設定する要素である。目標操舵反力設定部３６には、車速センサ２２からの車速信号と、転舵角センサ２１からの実際の転舵角に係る信号と、車両挙動センサ２３からの車両挙動（横加速度、ヨーレート）に係る信号と、上記減算部３５から出力される偏差信号ＳＧ２が入力される。目標操舵反力設定部３６は、車速信号と実際の転舵角に係る信号と車両挙動に係る信号と偏差信号ＳＧ２とに基づいて、操舵反力の目標値を設定する。車両駆動に係る信号を反力に応じて運転者にフィードバックすることは運転者の適切な運転を支援するのに役立つ。目標操舵反力設定部３６から出力される目標操舵反力に係る信号は、次段の減算部３７に供給される。減算部３７は、目標操舵反力信号から、操舵トルクセンサ１７から出力される実際の操舵トルクに係る信号を減算し、その偏差信号ＳＧ３を出力される。

上記減算部３５から出力された偏差信号ＳＧ２はステアリングモータ制御部３８に供給される。ステアリングモータ制御部３８は、偏差信号ＳＧ２に基づき、当該偏差信号ＳＧ２が０になるように、すなわち前側タイヤ１２の転舵角が目標転舵角に一致するように、転舵駆動機構１３のステアリングモータ１８を制御する。

また上記減算部３７から出力された偏差信号ＳＧ３は操舵反力モータ制御部３９に供給される。操舵反力モータ制御部３９は、偏差信号ＳＧ３に基づき、当該偏差信号ＳＧ３が０になるように、すなわち操舵トルクが目標操舵反力に一致するように、操舵反力付加モータ１６を制御する。

以上のごとく、本実施形態に係る車両操舵装置の操舵制御系では、目標転舵角設定部３３に入力されるハンドル１１の操舵角に係る信号について、位相進み要素部３１によってハンドル１１による操舵角に対し位相進み要素を加え、さらにフィードバック要素部３４と減算部３２によって車両挙動のフィードバックを行うように構成されている。その結果、その特徴として、ハンドル１１の操舵操作における高周波領域において、すなわち、車両走行中の緊急回避動作等における速い動作によるハンドル操作において、操舵制御系のゲインをシステムの安定性を損なわずに大幅に高くすることができ、高い応答性を実現することができる。これは、ハンドル１１による操舵角についての位相進みの設定において、ヨーレートまたは横加速度による車両挙動をフィードバックし付加することにより考慮に入れるようにしたからである。これにより、安定した応答性と共に、高速の応答性を実現することができる。

例えば障害物回避のための緊急回避の車線変更では横加速度の応答が重要になる。緊急回避でのハンドルの操舵操作に関しては、操舵入力速度を考慮すると、操舵入力速度が速いほど望ましい。一般的な試験条件でのハンドルの操舵操作では、一般的なドライバについては５００度／秒を入力可能最大操舵速度としており、特別なテストドライバでは１０００度／秒を入力可能最大操舵速度としている。従って、車両操舵装置の制御系に関して緊急回避性能を評価するためには、操舵入力速度５００〜１０００度／秒での横加速度ゲインに注目すればよい。

そこで、例えば、標準的な小型乗用車について、車速７２Ｋｍ／ｈでの最も短い距離で回避が可能となるように操舵系の前述したＫ₁，Ｋ₂，Ｔ₁，Ｔ₂，ａ，ｂの最適値を求め、定常状態と、５００度／秒、１０００度／秒の操舵速度（操舵角速度）に対応する横加速度応答ゲインの変化を計算すると次のような結果が得られた。

上記の表から明らかなように、本発明による車両操舵装置の制御系では、従来の操舵系に比較して、緊急回避時における操舵入力速度でのゲインの低下を改善することができ、さらにはゲインを増加することができる。これにより、通常の走行時の運転者が扱い易い操舵応答性と共に、緊急回避時の高速の応答性を実現することができる。

以上の実施形態で説明された構成については本発明が理解・実施できる程度に示したものにすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

例えば、機械式ステア・バイ・ワイヤを備えた車両操舵装置（例えば特開２００４ー１２２８２７号公報に開示される車両用操舵装置等）にも適用することができるのは勿論である。

本発明は、操作素子による操舵入力に対して転舵輪の転舵角を任意に制御できる電子制御式の車両操舵装置に利用される。

本発明に係る車両操舵装置の模式的な装置構造図である。 車両操舵装置の制御系のブロック構成図である。

符号の説明

１０ 車両操舵装置
１１ ハンドル（操作素子）
１２ 前側タイヤ（転舵輪）
１３ 転舵駆動機構
１４ 操舵角センサ
１６ 操舵反力付加モータ
１７ 操舵トルクセンサ
１８ ステアリングセンサ
２１ 転舵角センサ
２２ 車速センサ
２３ 車両挙動センサ
２４ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 運転者によって操舵操作される操作素子と、
   前記操作素子の操作状態量を検出する操作状態量検出手段と、
   転舵輪の向きを変更する転舵アクチュエータと、
   前記操舵状態量検出手段から出力された前記操作状態量に係る操舵信号に応じて前記転舵アクチュエータを駆動する制御手段とを備える車両操舵装置において、
   前記操舵状態量検出手段が出力する前記操舵信号に位相進み成分を加える位相成分調整手段と、
   車両の挙動量を検出する挙動量検出手段と、
   前記挙動量検出手段が出力する挙動量信号をフィードバック信号として前記位相成分調整手段の出力信号に付加する信号付加手段と、を備え、
   前記操舵信号に位相進み成分を加え、さらに挙動量信号をフィードバックして付加してなる信号を前記制御手段に供給することを特徴とする車両操舵装置。
2. 前記車両の挙動量はヨーレートまたは横加速度であることを特徴とする請求項１記載の車両操舵装置。

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