JP4575131B2

JP4575131B2 - 車両操舵装置

Info

Publication number: JP4575131B2
Application number: JP2004361235A
Authority: JP
Inventors: 泰晴大山; 彰一佐野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2024-12-14
Also published as: JP2006168454A

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り目標となる車両の進行方位角を設定する車両操舵装置に関する。

従来の車両操舵装置としては特許文献１に記載されたものがある。この車両操舵装置は、上記ハンドル等を運転者が操作することにより所定の絶対方位を基準とする車両の進行方位角を指示する操向指示手段として構成し、さらに、所定の絶対方位を基準とする車両進行角を検出する進行方向検知手段と、操作素子および進行方向検知手段のそれぞれの出力信号に基づき、操作素子によって指示された進行方位角と進行方向検知手段により検出された車両進行角との偏差が零になるように転舵駆動機構（または動力舵取り手段）を制御する制御装置を備えている。この車両操舵装置によれば、運転者がハンドル等を回転してその回転角を車両を進行させたい方向として与えると、当該回転角は車両の目標進行方位角として与えられる。運転者はハンドル等の回転角を設定すると、そのままの回転角の状態を維持すればよい。従って、従来車両とは異なり、操舵操作後、ハンドル等を中立位置に復帰させる戻し操作が不要となる。この車両操舵装置は、方位角フィードバック式の操舵系を有する装置である。
特公平６−８６２２２号公報

方位角フィードバックシステムでは、旋回を続けるためには、運転者はハンドルを回転しつづけなければならず、急旋回ほど操舵角速度を早くする必要があり、旋回時の作業量は現在の操舵系に比較して多くなる。それを軽減するために、ゲイン（目標方位角／ハンドル操舵角）を大きくすると、直進時にハンドルが敏感になりすぎて、運転者の精神的負担が増加する。

本発明の目的は、上記の問題に鑑み、車両の進行方位角が目標車両進行方位角になるように制御を行う方位角フィードバック式の車両操舵装置において直進時と旋回時のいずれの場合にも操作素子の操舵入力として最適な操舵特性を実現し運転者の負担を軽減する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ハンドル等の操作素子と、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、操作状態量に応じて目標となる車両進行方位角を設定する目標車両進行方位角設定部と、車両の進行方位角が目標車両進行方位角になるように転舵アクチュエータを駆動する制御部（ＥＣＵ）とを備える方位角フィードバックを行う車両操舵装置であり、さらに、車両の速度を検出する車速センサと、車両の横加速度を検出する横加速度センサと、車両のヨーレートを検出するヨーレートセンサと、操作状態量に対する目標車両進行方位角の比の値を設定する比設定部（操舵角ゲイン設定部）と、車速センサによって検知された速度が大きくなるに従って前記比の値を小さくなるように変化させ、横加速度センサによって検知された横加速度が大きくなるに従って前記比の値を大きくなるように変化させ、ヨーレートセンサによって検知されたヨーレートが大きくなるに従って前記比の値を大きくなるよう変化させる比調整部（操舵角ゲイン調整部）とを備え、比調整手段は、車両の速度と車両の横加速度と車両のヨーレートとに基づいて比の値を決定するように構成されている。

上記の構成を有する車両操舵装置では、車両の走行状態を直進走行であるかまたは旋回走行であるかを車両の挙動状態により検出し、挙動量が大きくなるにつれてハンドル操舵量に対する目標方位角の比（操舵角ゲイン）の値を大きくし、直進走行状態または旋回状態のそれぞれの場合に応じて最適な操舵特性を実現することが可能となる。

また車両のヨーレートや横加速度は、車速に応じて旋回の程度を表すパラメータであり、それらによって直進走行中かまたは旋回中かを識別することができるので、走行状態に応じた最適な操舵特性を実現することが可能となる。

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ステア・バイ・ワイヤ式の車両操舵装置において、ヨーレートまたは横加速度に関する車両挙動量の信号に基づき車両の走行状態が直進中であるかまたは旋回中であるかを識別し、それらの値の関数として操舵角ゲインを変化させるように構成したため、直進走行時には運転者の緊張を和らげる低い操舵角ゲインを設定しても、旋回時には操舵角ゲインを高めることができ、旋回時の操舵で必要な入力操舵角を小さくすることができ、運転者の精神的負担と肉体的負担のいずれも大幅に軽減することができる。

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代表的実施形態のブロック図を示す。この実施形態による車両操舵装置の制御系は、操作素子の（目標）操舵角と車両の実方位角との偏差量によって転舵輪の向く方位を指定する操舵系を形成する。この車両操舵装置の制御系は方位角フィードバック方式である。

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の目標方位角（転舵角または舵角と同義）を任意に制御できるステア・バイ・ワイヤ式等のごとき電子制御式の車両操舵装置である。

運転者がハンドル１１を操作したとき、運転者が操作した回転角すなわち操舵角は目標方位角を与え、電子的な制御システムは、転舵駆動機構１３を介して前側タイヤ１２で目標方位角に対応するようにその転舵角を発生させる。ハンドル１１は、運転者が進行したい方向に前側タイヤ１２が転舵されるように操舵角を発生する目標方位角入力部としての機能を有する。ハンドル１１における操舵のための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、機械的な構造として実質的に前側タイヤ１２とは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と車両挙動センサ２３が設けられている。車両挙動センサ２３は、ヨーレートもしくは横加速度、またはヨーレートと横加速度の両方を検出する。なお車両挙動センサ２３は、ヨーレートの場合にはヨーレートセンサであり、横加速度の場合には横加速度センサである。車両挙動センサ２３がヨーレートと横加速度の両方を検出する場合には、車両挙動センサ２３はヨーレートセンサと横加速度センサの２種類のセンサで構成される。本実施形態による車両操舵装置の制御系のシステム構成では、後述するように、ヨーレートと横加速度の両方を検出して利用する構成を採用している。

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に従って第１実施形態に係る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Θは、操舵角ゲイン設定部３１を経由して目標方位角指令値（θ）として目標転舵角設定部３２に入力される。操舵信号（Θ）はハンドル１１の操舵角（またはハンドル角）に係る信号で、その内容は前述の通り目標方位角を指定するための信号を意味している。

この実施形態に係る車両操舵装置では、ハンドル１１は、前述の通り、車両の進行方向を方位角として指定する操作素子である。ハンドル１１を運転者が操作すると、車両の進行方向が方位角として指示される。従って本実施形態では、操舵角センサ１４が出力する操舵信号（Θ）はハンドル１１の操舵角であって方位角を表す信号である。

操舵角ゲイン設定部３１では操舵角ゲイン（Ｇ）が設定される。操舵角ゲインＧは、「目標方位角／操舵角」で定義される比（一般的に「操作素子の操作状態量（Θ）に対する目標方位角（θ）の比」という）の値を定める数値である。すなわち、操舵角ゲイン設定部３１は、入力された操舵信号（Θ）に対して操舵角ゲイン（Ｇ）を乗算して方位角指令値信号（θ）を生成し、減算部５１に入力される。

上記の減算部５１の他方の入力には、積分要素５２から出力される信号が供給される。積分要素５２は、ヨーレートセンサ３９から出力されたヨーレート（ｒ）に係る信号を積分し、その結果、車両方位角（ψ）に係る信号を出力する。従って、減算部５１では、方位角指令値（θ）と車両方位角（ψ）の差が算出され、その偏差信号（θ−ψ）が、次段の目標転舵角設定部３２に入力されることになる。

目標転舵角設定部３２は、車速の状態も加味して、上記の方位角指令値信号（θ）を目標値信号として設定し、これを基準に目標転舵角信号（δ）を出力する。

操舵角ゲイン設定部３１の操舵角ゲインＧは、後述のごとく、条件に応じて変えることができるように構成される。操舵角ゲイン設定部３１の操舵角ゲインの値Ｇは、操舵角ゲイン調整部３３によって供給される。操舵角ゲイン設定部３１から目標転舵角設定部３２等の側に供給される方位角指令値信号（θ）は、前側タイヤ１２の方位角を指示する指令値である。操舵角ゲイン設定部３１ではθ＝Ｇ×Θの関係が成立している。

目標転舵角設定部３２には、減算部５１を経由して上記方位角指令値信号（θ）に基づく偏差信号（θ−ψ）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３２は、車速の条件に応じて、方位角指令値信号（θ）を目標値信号としてハンドル１１の操舵角に対応した転舵角を設定し、目標転舵角信号（δ）を出力する。この目標転舵角信号は次段の減算部５３に供給される。減算部５３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ＳＧ１を出力する。

また目標操舵反力設定部３４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３４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、上記減算部５３から出力される偏差信号ＳＧ１が入力される。目標操舵反力設定部３４は、車速信号と実際の転舵角に係る信号と偏差信号ＳＧ１とに基づいて、操舵反力の目標値を設定する。目標操舵反力設定部３４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５４に供給される。減算部５４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ＳＧ２を出力する。

上記減算部５３から出力された偏差信号ＳＧ１はステアリングモータ制御部３５に供給される。ステアリングモータ制御部３５は、偏差信号ＳＧ１に基づき、当該偏差信号ＳＧ１が０になるように、すなわち前側タイヤ１２の転舵角が目標方位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の駆動動作を制御する。

また上記減算部５４から出力された偏差信号ＳＧ２は操舵反力モータ制御部３６に供給される。操舵反力モータ制御部３６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の駆動動作を制御する。

図２において一点鎖線で示したブロック３７は車両を概念的に示している。図２においては、説明の便宜上、車両３７を表すブロック内に、ステアリングモータ１８と操舵反力付加モータ１６と車両挙動センサ２３とが示されている。この実施形態の場合、車両挙動センサ２３は横加速度センサ３８とヨーレートセンサ３９の両方を含むように構成されている。横加速度センサ３８は、車両３７の挙動に応じて、横加速度（ｄｙ2／ｄｔ2）に係る信号を出力する。ヨーレートセンサ３９は、車両３７の挙動に応じて、ヨーレート（ｒ）に係る信号を出力する。横加速度センサ３８からの横加速度に係る信号とヨーレートセンサ３９からのヨーレートに係る信号は、操舵角ゲイン調整部３３に供給される。なおヨーレートに係る信号については、前述した通り、積分要素５２にも供給されている。操舵角ゲイン調整部３３には、さらに、車速センサ２２からの車速信号が供給されている。

次に操舵角ゲイン設定部３１と操舵角ゲイン調整部３３による機能について説明する。操舵角ゲイン設定部３１で設定される操舵角ゲインＧは、車速とヨーレートと横加速度に応じて決められる。操舵角ゲイン調整部３３は、車速（Ｖ）とヨーレート（ｒ）と横加速度（ｄｙ²／ｄｔ²：ＬＧ）を入力し、これらの要素に基づいて操舵角ゲインＧを決定する。操舵角ゲイン調整部３３で決定された操舵角ゲインＧは、操舵角ゲイン設定部３１に供給され、これにより操舵角ゲインＧが設定される。

操舵角ゲイン調整部３３で決定される操舵角ゲインＧの決定の仕方については、車速（Ｖ）によるゲインＧ_Vと、ヨーレート（ｒ）によるゲインＧｒと、横加速度（ＬＧ）によるゲインＧ_LGを用いて種々のパターンで与えられる。

車速（Ｖ）によるゲインＧ_Vの特性を図３に示す。図３に示すように、ゲインＧ_Vは車速（Ｖ）が大きくなるに従って曲線的に小さくなるという特性４１を有している。なお、ゲインＧ_Vの変化特性は曲線特性４１に限定されず、例えば特性４２に示されるように直線的に変化させることも可能である。

横加速度（ＬＧ）によるゲインＧ_LGの特性を図４に示す。図４に示すようにゲインＧ_LGは横加速度が大きくなるに従って曲線的に大きくなるという特性４３を有している。なお、ゲインＧ_LGの変化特性は曲線特性４３に限定されず、例えば特性４４に示されるように直線的に変化させることも可能である。

ヨーレート（ｒ）によるゲインＧｒの特性を図５に示す。図５に示すようにゲインＧｒは、例えば車速（Ｖ）が３０Ｋｍ／ｈであるときには、ヨーレート（ｒ）が大きくなるに従って曲線的に大きくなるという特性４５を有している。なお、ゲインＧｒの変化特性は車速に応じて変化する。図５では、例えば、車速が９０ｋｍ／ｈの場合の変化特性４６、車速が１００Ｋｍ／ｈの場合の変化特性４７が示されている。車速が大きくなるに従ってヨーレート（ｒ）の範囲は小さくなり、ゲインＧｒの変化については立ち上がりが大きくなる。その他の車速（Ｖ）の変化特性は、車速に応じて図示された特性４５，４６，４７のそれぞれの間に存在する。

操舵角ゲイン調整部３３で決定される操舵角ゲインＧの決定の仕方の例について、好ましい例は、次の通りである。

Ｇ＝Ｋ（V）×｛ａ×Ｆ（LG）＋ｂ×Ｇ（ｒ）｝
上式で、ａ，ｂは定数であり、Ｋ（V）は車速（Ｖ）の関数であって車速による上記ゲインＧVを関数形式で表現したものであり、Ｆ（LG）は横加速度（ＬＧ）の関数であって上記横加速度によるゲインＧLGを関数形式で表現したものであり、Ｇ（ｒ）はヨーレート（ｒ）の関数であって上記ヨーレートによるゲインＧｒを関数形式で表現したものである。図３〜図５を参照して説明した通り、Ｋ（V）は車速増加で減少し、Ｆ（LG）は横加速度の増加で増加し、Ｇ（ｒ）はヨーレートの増加で増加するという特性を有している。上記の場合において、操舵角ゲインＧは、実質的に、車速によるゲインとヨーレートによるゲインと横加速度によるゲインとの積の形式で与えられる。

操舵角ゲインＧの値は、上記の式に従って、車速、横加速度、ヨーレート等に基づいて決定する。決定された操舵角ゲインＧは、操舵角ゲイン設定部３１に供給され、θ＝Ｇ×Θの式に基づき方位角指令値（θ）を算出して出力する。

上記において、横加速度とヨーレートは車両３７の旋回状態を検出するために用いられる。車両３７の走行状態が旋回状態と判断された場合には、上記のいずれかの式に基づき操舵角ゲインの変更の調整制御が行われ、操舵角ゲイン設定部３１において旋回状態に応じた最適な操舵角ゲインが設定される。

なお制御の仕方としては、例えば、横加速度が発生していたとしても、ヨーレートが発生していない場合には、旋回状態と判断しないという制御方法もあり得る等、種々のものが考えられる。

以上のごとく、本実施形態に係る車両操舵装置を装備した車両３７では、車両３７の車速（Ｖ）、横加速度（ｄｙ²／ｄｔ²）、ヨーレート（ｒ）の３つのパラメータを利用し、旋回状態では、旋回半径Ｒは、ＲＶ／ｒ＝Ｖ²（ｄｙ²／ｄｔ²）となることから、操舵角ゲイン調整部３３に適切な低域通過フィルタを備えることにより、急激な運動による変化分を除去した上記の３つのパラメータの情報に基づいて操舵角ゲインＧを最適に調整する。これにより、車両が旋回走行を行ったとき、横加速度のゲインＧ_LGおよびヨーレートのゲインＧｒを高めることができ、操舵角ゲインＧを大きくして旋回時の応答性を向上させることができる。これによって、直進走行時には運転者の緊張を和らげる低い操舵角ゲインを設定していても、旋回走行時には操舵角ゲインを高めることができ、必要な操舵入力量を小さくし、運転者の精神的負担と肉体的負担を軽減できる。

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。

なお、車両操舵装置の制御系で設定される操舵ゲインを横加速度等を利用して走行状態に応じて最適に変更するという原理は、操作素子と転舵駆動機構とが機械的に分離されている構造だけではなく、連結された構造のものにも適用することができる。

本発明は、操舵ゲインを直進走行や旋回走行に応じて最適に調整し、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。

本発明の実施形態に係る車両操舵装置の模式的な装置構造図である。本発明の代表的実施形態に係る車両操舵装置の制御系のブロック構成図である。車速によるゲインの変化特性を示すグラフである。横加速度によるゲインの変化特性を示すグラフである。ヨーレートによるゲインの変化特性を示すグラフである。

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
２４ＥＣＵ
５２積分要素

Claims

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、
前記操作状態量に応じて目標となる車両進行方位角を設定する目標車両進行方位角設定手段と、
車両の進行方位角が前記目標車両進行方位角になるように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方位角フィードバックを行う車両操舵装置において、
車両の速度を検出する車速センサと、
車両の横加速度を検出する横加速度センサと、
車両のヨーレートを検出するヨーレートセンサと、
前記操作状態量に対する前記目標車両進行方位角の比の値を設定する比設定手段と、
前記車速センサによって検知された前記速度が大きくなるに従って前記比の値を小さくなるように変化させ、前記横加速度センサによって検知された前記横加速度が大きくなるに従って前記比の値を大きくなるように変化させ、前記ヨーレートセンサによって検知された前記ヨーレートが大きくなるに従って前記比の値を大きくなるよう変化させる比調整手段と、
を備え、
前記比調整手段は、前記車両の速度と前記車両の横加速度と前記車両のヨーレートとに基づいて前記比の値を決定することを特徴とする車両操舵装置。