JP4687277B2 - 車両用操舵装置および車両用操舵方法 - Google Patents

車両用操舵装置および車両用操舵方法 Download PDF

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Description

本発明は、操向輪にキャンバ角を付与するキャンバアクチュエータを備えた車両用操舵装置および車両用操舵方法の技術分野に属する。
従来の車両用操舵装置では、車輪のキャンバ角を可変するキャンバアクチュエータを備え、キャンバ角に応じて発生するキャンバスラストを用いて車両のヨーレートを制御している（例えば、特許文献１参照）。
特許第２９００４４５号公報
キャンバスラストによる横力は、キャンバ角が変化して初めて発生するため、キャンバスラストによりヨーモーメントを制御する上記従来技術では、特に操舵初期のヨーモーメントの立ち上がりにおいて、目標ヨーモーメントに対する実ヨーモーメントの発生に応答遅れが生じるという問題があった。
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、目標ヨーモーメントにより近いモーメント応答を実現できる車両用操舵装置および車両用操舵方法を提供することにある。
上述の目的を達成するため、本発明では、
車両にヨーモーメントを付与するヨーモーメント発生手段と、目標ヨーモーメントに基づくヨーモーメント制御を行うヨーモーメント制御手段と、を備えた車両用操舵装置において、
車輪のキャンバ角を可変するキャンバ角可変手段と、
前記目標ヨーモーメントに対するヨーモーメント制御の応答遅れを、キャンバ角変化速度に応じて発生するモーメントにより補償するキャンバ角制御手段を備えることを特徴とする。
本発明にあっては、ヨーモーメント制御の応答遅れを、キャンバ角変化速度に比例して発生するモーメントにより補償するため、ヨーモーメント発生の応答性を高めることができ、目標ヨーモーメントにより近いモーメント応答を実現できる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１に基づいて説明する。
まず、構成を説明する。
図１は、実施例１の車両用操舵装置の構成を示すブロック図であり、実施例１の車両用操舵装置は、操舵角検出部１と、制御装置部（ヨーモーメント制御手段およびキャンバ角制御手段）２と、車両状態検出部（車両状態検出手段）３と、キャンバアクチュエータ（キャンバ角可変手段）４と、ブレーキアクチュエータ（ヨーモーメント発生手段）５と、を備えている。
ドライバはハンドルを回転し目標車両状態に関係したハンドル操舵角を入力する。ハンドルに入力された操舵角は所定のギア比を介して前輪を転舵する。ドライバの入力したハンドル操舵角は、操舵角検出部１で検出され、制御装置部２に入力される。車両状態検出部３において検出された各種車両状態量も制御装置部２に伝えられる。ここで使用される各種車両状態には車両運動制御に関わる車両状態量である、車速、ヨーレート、横加速度（横Ｇ）の内の１つ以上を指す。
制御装置部２は、目標ヨーモーメント演算部２ａと、分配部２ｂと、目標ジャイロモーメント演算部２ｃと、目標ブレーキモーメント演算部２ｄと、目標キャンバ角演算部２ｅと、目標ブレーキ力演算部２ｆと、を備えている。
目標ヨーモーメント演算部２ａは、操舵角と車両状態量から目標ヨーモーメントを算出し、分配部２ｂに出力する（図２のステップS1）。分配部２ｂは、目標ヨーモーメントをジャイロモーメントによる発生ヨーモーメントとブレーキによる発生ヨーモーメントとに分配し、目標ジャイロモーメント演算部２ｃと目標ブレーキモーメント演算部２ｄに出力する（ステップS2）。
目標ジャイロモーメント演算部２ｃは、ジャイロモーメントによる発生ヨーモーメントに基づいて、目標ジャイロモーメントを算出し、目標キャンバ角演算部２ｅに出力する（ステップS3）。目標ブレーキモーメント演算部２ｄは、ブレーキによる発生ヨーモーメントに基づいて、目標ブレーキモーメントを演算し、目標ブレーキ力演算部２ｆに出力する（ステップS4）。
目標キャンバ角演算部２ｅは、目標ジャイロモーメントに基づいてキャンバアクチュエータ４の目標キャンバ角を演算し（ステップS5）、目標キャンバ角に応じた指令値をキャンバアクチュエータ４に出力する。ここで、キャンバアクチュエータ４に出力する指令値は、単位時間当たりの指令値とする。また、目標キャンバ角演算部２ｅは、定常状態（直進走行時）でキャンバ角が路面に対し垂直となるような目標キャンバ角を設定する。
目標ブレーキ力演算部２ｆは、目標ブレーキモーメントに基づいてブレーキアクチュエータ５の目標ブレーキ力を演算し（ステップS6）、目標ブレーキ力に応じた指令値をブレーキアクチュエータ５に出力する。このとき、目標ブレーキ力演算部２ｆは、キャンバ角戻し時のジャイロモーメントによる発生ヨーモーメントをあらかじめ目標ブレーキモーメントに加算した値に基づいて、目標ブレーキ力を設定する。
キャンバアクチュエータ４は、目標キャンバ角演算部２ｅからの指令値に基づいて、各車輪（４輪）のキャンバ角を可変する。これにより、車両にキャンバ角に応じたヨーモーメントが発生する。ブレーキアクチュエータ５は、目標ブレーキ力演算部２ｆからの指令値に基づいて、車輪に制動力を付与する。これにより、車両にブレーキ力に応じたヨーモーメントが発生する。
次に、作用を説明する。
［目標キャンバ角生成方法］
制御装置部２における目標キャンバ角の生成方法を説明する。
操舵角：θ[rad]
前輪転舵角：δf[rad]
後輪転舵角：δr[rad]
前輪対地キャンバ角：φf[rad]
後輪対地キャンバ角：φr[rad]
車両横滑り角：β[rad]
前輪横滑り角：βf[rad]
後輪輪横滑り角：βr[rad]
前輪コーナリングパワー：Cf[N/rad]
後輪コーナリングパワー：Cr[N/rad]
前輪横力：Ff[N]
後輪横力：Fr[N]
車速：v[m/s]
車重：m[kg]
ヨーレート：γ[rad/s]
横Ｇ：α[m/s2]
車両横変位：y[m]
ラプラス演算子：s
前輪操舵車両の運動は、下記の式(1)，(2)で表すことができる。
Figure 0004687277
ここで、式(1),(2)にヨーモーメントMyawを加えることで、下記の式(3)のように表すことができる。
Figure 0004687277
図３に示すように、前後右輪にFxFR,FxRRのブレーキ力を加えたとき、ヨーモーメントMBは、下記の式(4)で示される。ここでいうブレーキ力FxFR,FxRRは、ヨーモーメントコントロール以外の制駆動等に伴うブレーキ力を除いたもの(左輪との差分)である。参考例として、後輪を前輪と逆相に転舵させたとき、車両に発生するヨーモーメントを図４に示す。
Figure 0004687277
 FxFR：右前輪ブレーキ力(路面からタイヤに加わる力)
FxRR：右後輪ブレーキ力(路面からタイヤに加わる力)
Trｆ：車両前後中心線−前輪中心間距離
Trr：車両前後中心線−後輪中心間距離
タイヤ発生力Fｘは、制御指令Fxcmdに対して遅れるため、ブレーキによるヨーモーメントMBも制御指令MBcmdに対して、下記の式(5)のような遅れが生じる。
Figure 0004687277
ここで、目標ヨーモーメントに対し、ブレーキ発生ヨーモーメントを入力目標の２次遅れとなる規範モデル(下記の式(6)で示される)に追従させるため、フィードフォワード、フィードバック系を組んだ場合（図５）、図６に示すように、フィードバックゲインKFBを大きくしても、オーバーシュートが大きくなり、応答性を改善することはできない。図６において、点線は規範モデルヨーモーメント、一点鎖線はブレーキによるヨーモーメントである。
Figure 0004687277
そこで、実施例１では、この遅れをキャンバ変化によるジャイロモーメントで補償する。このときに必要なキャンバ角φを決定する方法の例を以下に示す。各輪の回転速度ω、キャンバ角速度Ω、キャンバ角φ、慣性モーメントIWはそれぞれ微妙に異なり、図７に示すように、それぞれMgFL,MgFR,MgRL,MgRRとなるが、ここでは代表値としてそれぞれω、Ω、φ、IW、Mgsを用いる。
ジャイロモーメント発生は、下記の式(7)で表され、ジャイロモーメントによるヨーモーメントの合計をMgとすると、下記の式(8)となる。
Figure 0004687277
無駄時間は１次のパデ近似を用いて下記の式(9)のように表されるため、ブレーキによるヨーモーメントの応答は、式(5)より、下記の式(10)の通りとなる。
Figure 0004687277
ヨーモーメントの合計Myawは、MBとMg(=4 Mgs)の合計として、下記の式(11)のように与えられる。
Figure 0004687277
そこで、ジャイロモーメントを、下記の式(12)に示すMgsのように設定することで、Myawmdlを実現できる。
Figure 0004687277
式(12)は、下記の式(13)のように変形でき、キャンバ角は、下記の式(14)に示す通りとすればよい。
Figure 0004687277
式(14)に従って４輪にキャンバ角を付けた場合、図８に示すキャンバ角応答となり、ヨーモーメントは図９の実線で示される(点線はMyawmdl，一点鎖線はMB)。図１０はそれぞれのヨーモーメントを車両に入れたときのヨーレート応答であり、Myawmdlを車両に入れたときとMB+Mgを車両に入れたときのヨーレート応答がほぼ一致しており、ブレーキ力MBのみを用いた場合よりもオーバーシュートが大幅に改善されている。
［ブレーキ力によるヨーモーメント発生の遅れについて］
転舵による発生横力Fyは、下記の式(15)の通りであり、転舵発生から横力（ヨーモーメント）発生までに遅れがある。
Figure 0004687277
C:コーナリングパワー
β：横滑り角
τ：リラクゼーションレングスによる遅れ
タイヤと路面の間に発生する制駆動力Fxの発生は、下記の式(16)の通りとなり、ブレーキ力FBや駆動力FDによりタイヤ回転数が変化してから発生するため遅れが生じる。
Figure 0004687277
 VV：車体速(車体に対する路面速度)
VT：タイヤ回転速度(車体に対する接地面でのタイヤ速度)
D:タイヤ制駆動力係数
ブレーキの発生するブレーキ力FBとタイヤの発生する制動力Fxとの関係は、下記の式(17)の運動方程式で表すことができる(図１１)。
Figure 0004687277
 ω：タイヤ回転角速度
ここで、タイヤ回転角速度ωは、タイヤ回転速度VTとタイヤ接地点半径とを用いて、下記の式(18)で表せる。
Figure 0004687277
また、式(16)において、車体速VVが一定値と仮定すると、下記の式(19)が成り立つ。
Figure 0004687277
式(17)に、式(18),(19)を代入すると、下記の式(20)が成り立つ。
Figure 0004687277
ブレーキの発生する力FBとタイヤが路面から受ける力Fxの間の伝達関数は、下記の式(21)の通り１次遅れとなる。ただしTx,Kxは、下記の式(22)，(23)の通りである。
Figure 0004687277
このとき、ブレーキ制御指令FxcmdからブレーキがFBを発生させるまでに無駄時間（リラクゼーションレングス）τがあるため、ブレーキ制御指令からFxへの伝達関数は式(24)に示される通りとなる。
Figure 0004687277
以上説明したように、車両にヨーモーメントを加えて車両挙動を制御する場合に、ヨーモーメント発生手段としてブレーキや操舵を用いた場合には、ヨーモーメントの発生に遅れが生じる。
［ジャイロモーメントによる作用］
これに対し、実施例１では、キャンバ角の変化速度に応じて発生するジャイロモーメントを利用してヨーモーメントを発生させるため、ヨーモーメント発生の応答性を高めることができる。
キャンバ角変化速度に比例して発生するジャイロモーメントは、下記の式(25)で表される（図１２）。すなわち、ジャイロモーメントは、キャンバ角速度に比例した大きさで発生するため、ブレーキ力でモーメントを発生させる場合、またはキャンバ角に応じて発生するキャンバスラストを用いてモーメントを発生させる場合と比較して、モーメント発生までの応答が速い。
Figure 0004687277
 Ω：キャンバ角速度
ここで、実施例１では、ブレーキの無駄時間を例えば50[ms]とし、式(9)に示した１次のパデ近似を用いることで、十分な性能を出すことが可能であるが、さらに厳密なヨーモーメントを出したい場合や、ブレーキの無駄時間が大きい場合には、より高次の近似を用い、図１３に示すキャンバ角応答とすることで、目標ヨーモーメントにより近いモーメント応答を実現できる（図１４）。
次に、効果を説明する。
実施例１の車両用操舵装置にあっては、以下に列挙する効果が得られる。
(1) 車輪のキャンバ角を可変するキャンバアクチュエータ４と、目標ヨーモーメントに対するヨーモーメント制御の応答遅れを、キャンバ角変化速度に比例して発生するジャイロモーメントにより補償する制御装置部２と、を備える。よって、ヨーモーメント発生の応答性を高めることができ、目標ヨーモーメントにより近いモーメント応答を実現できる。
(2) 制御装置部２は、目標ヨーモーメントに対するヨーモーメント制御の応答遅れを補償する目標ジャイロモーメントを算出する目標ジャイロモーメント演算部２ｃと、この目標ジャイロモーメントが得られるように、車輪のキャンバ角を制御する目標キャンバ角演算部２ｅと、を備える。すなわち、目標ヨーモーメントからあらかじめヨーモーメント制御の応答遅れを予測し、これを補償する目標ジャイロモーメントが得られるようにキャンバ角を制御することで、ヨーモーメント制御の応答遅れをより確実に補償でき、モーメント応答を高めることができる。
(3) ヨーモーメント発生手段は、各輪のブレーキ力を独立に制御するブレーキアクチュエータ５であり、制御装置部２は、ブレーキ力の遅れに起因するヨーモーメントの立ち上がり遅れをキャンバ角制御により補償する。よって、ブレーキ力により目標ヨーモーメントを得る車両において、特にヨーモーメントの立ち上がりで発生する応答遅れを抑制でき、目標ヨーモーメントにより近いモーメント応答を実現できる。
(4) 制御装置部２は、単位時間当たりのキャンバ角を変化させるため、モーメント応答を目標ヨーモーメントにより近づけることができる。
(5) 制御装置部２は、定常状態でキャンバ角が路面に対して垂直となるように制御するため、キャンバスラストに伴う横力の発生により車両の走行安定性が悪化するのを抑制できる。
(6) 制御装置部２は、キャンバ角戻し時のジャイロモーメントによる発生ヨーモーメントをあらかじめ目標ヨーレートに加算した値に基づいて、目標ブレーキ力を設定する。よって、キャンバ角戻し時における目標ヨーモーメントと実ヨーモーメントとの乖離を抑制できる。
（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は、実施例１に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
例えば、実施例１では、ヨーモーメント発生手段としてブレーキアクチュエータを用いた例を示したが、ヨーモーメント発生手段としては、駆動力を任意に制御できるアクチュエータ、前輪の転舵角を任意に制御できるアクチュエータ、または後輪の転舵角を任意に制御できるアクチュエータを用いても良い。また、これらを複数組み合わせた構成としても良い。
実施例１の車両用操舵装置の構成を示すブロック図である。 実施例１の制御装置部２で実行される目標キャンバ角算出および目標ブレーキ力算出処理の流れを示すフローチャートである。 前後右輪にブレーキ力を加えたとき、車両に発生するヨーモーメントを示す図である。 後輪を前輪と逆相に転舵させたとき、車両に発生するヨーモーメントを示す図である。 規範モデルを用いて目標ヨーモーメントに対するフィードバック、フィードフォワード系を組んだ例である。 図５のフィードバックゲインを大きくしたときのヨーモーメント応答を示す図である。 前後輪のキャンバ角を変化させたとき、車両に発生するヨーモーメントを示す図である。 実施例１のキャンバ角応答を示す図である。 実施例１のヨーモーメント応答を示す図である。 実施例１のヨーレート応答を示す図である。 ブレーキの発生するブレーキ力とタイヤの発生する制動力との関係を示す図である。 キャンバ角変化により発生するジャイロモーメントを示す図である。 式(9)において、より高次の近似を用いた場合の、キャンバ応答を示す図である。 式(9)において、の高次の近似を用いた場合の、ヨーモーメント応答を示す図である。
符号の説明
１ 操舵角検出部
２ 制御装置部
２ａ 目標ヨーモーメント演算部
２ｂ 分配器
２ｃ 目標ジャイロモーメント演算部
２ｄ 目標ブレーキモーメント演算部
２ｅ 目標キャンバ角演算部
２ｆ 目標ブレーキ力演算部
３ 車両状態検出部
４ キャンバアクチュエータ
５ ブレーキアクチュエータ

Claims (8)

  1. 車両にヨーモーメントを付与するヨーモーメント発生手段と、目標ヨーモーメントに基づくヨーモーメント制御を行うヨーモーメント制御手段と、を備えた車両用操舵装置において、
    車輪のキャンバ角を可変するキャンバ角可変手段と、
    前記目標ヨーモーメントに対するヨーモーメント制御の応答遅れを、キャンバ角変化速度に応じて発生するモーメントにより補償するキャンバ角制御手段を備えることを特徴とする車両用操舵装置。
  2. 請求項１に記載の車両用操舵装置において、
    前記キャンバ角変化速度に応じて発生するモーメントは、キャンバ角変化速度に比例して発生するジャイロモーメントであることを特徴とする車両用操舵装置。
  3. 請求項２に記載の車両用操舵装置において、
    前記キャンバ角制御手段は、前記目標ヨーモーメントに対する前記ヨーモーメント制御の応答遅れを補償する目標ジャイロモーメントを算出し、この目標ジャイロモーメントが得られるように、車輪のキャンバ角を制御することを特徴とする車両用操舵装置。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
    前記ヨーモーメント発生手段は、各輪のブレーキ力を独立に制御するブレーキアクチュエータであり、
    前記キャンバ角制御手段は、前記ブレーキ力の遅れに起因するヨーモーメントの立ち上がり遅れをキャンバ角制御により補償することを特徴とする車両用操舵装置。
  5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
    前記キャンバ角制御手段は、単位時間当たりのキャンバ角を変化させることを特徴とする車両用操舵装置。
  6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
    前記キャンバ角制御手段は、定常状態でキャンバ角が路面に対して垂直となるように制御することを特徴とする車両用操舵装置。
  7. 請求項６に記載の車両用操舵装置において、
    前記ヨーモーメント制御手段は、キャンバ角戻し時のジャイロモーメントによる発生ヨーモーメントをあらかじめ目標ヨーレートに加算した値に基づいて、前記ヨーモーメント発生手段を制御することを特徴とする車両用操舵装置。
  8. 目標ヨーモーメントに基づくヨーモーメント制御を行う車両用操舵方法において、
    前記目標ヨーモーメントに対するヨーモーメント制御の応答遅れを、キャンバ角変化速度に応じて発生するモーメントにより補償することを特徴とする車両用操舵方法。
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