JP4881631B2 - 車両操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は車両操舵装置に関し、特に、方位角信号またはヨーレート信号をフィードバックする方式において操舵入力に応じて転舵輪の転舵角を制御する電子制御式の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は、操作素子と転舵輪の間が機械的に分離された構造を有し、操舵用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車両操舵装置に適用される。この操舵制御装置によれば、運転者が操作素子を操舵操作すると、その操舵の内容が電気的信号に変換される。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操舵内容の情報が与えられ、転舵輪の転舵角を制御・調整する。電子制御装置では、操作素子で与えられる操舵角を目標操舵角とし、例えば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。

運転者が操舵操作する操作素子で入力される目標操舵角が方位角であり、フィードバックされる実際の情報が実際の方位角という場合がある。方位角で目標操舵角を与え、当該方位角の実際の状態をフィードバックして偏差信号を求め、当該偏差信号で転舵駆動を行う制御手段を備える操舵システムが提案されている。方位角をフィードバックする操舵システムによれば、緊急回避性能が従来の操舵システムに比して優るという利点を有している。

さらに、方位角フィードバック方式の４輪車両の操舵システムでは、外乱を受けても車両の進路の維持が自動的に行われるので、高速走行での運転者の操舵負担を減らすことができる。また操舵入力に対する車両の応答で位相が大幅に進むために、緊急回避時の応答が速い。さらに、方位角フィードバック方式により運動の安定性が増加するため、障害物に気づく距離が短くなって大きな操舵入力を入れざる得ない状況でも回避運動が破綻することを避けることができる。このため、さらに、例えば隣接車線に回避する途中で車線を横切るまでの距離（回避距離）を短縮することができ、衝突回避を成功させる確率を高めることができる。
特開平１０−２６４８３８号公報

方位角フィードバック方式の操舵システムでは、位相進みの代償として定常応答がゼロになるため、操作素子の操舵角に対応した方位角で車両の回頭運動が止まるという特性を有する。従って、車両の旋回運動を続けるためには、常に操作素子を回して操舵角を増加し続けなければならない。このような特性を有する方位角フィードバック方式の操舵システムによれば、一定の操舵角を維持すれば車両が一定半径を維持して旋回運動を続ける従来の操舵システムに比較して、長い旋回時の運転操作で運転者の負担を増すことになる。そこで、方位角フィードバック方式の操舵システムでは、回避性能の優位特性を失うことなく、さらに長い旋回での運転者の操舵負担を軽減するということが望まれている。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、操作素子の操舵入力に対して方位角フィードバック方式等で転舵輪の転舵角を制御する電子制御式の車両操舵装置において、回避性能の優位性を維持したまま、長い旋回運動での運転者の操舵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。

第１の車両操舵装置（請求項１に対応）は、運転者が操舵操作する操作素子と、操作素子の操舵角もしくは操舵角速度からなる操作量を検出する操作量検出部と、転舵輪の向きを変更する転舵アクチュエータと、車両のヨーレート（ヨー角速度）に係るヨーレート信号を取り出すヨーレート信号取得部と、車両が進行する方位角に係る方位角信号を生成する方位角信号生成部と、操作量検出部から出力される操作量信号から、車速に応じてヨーレート信号または方位角信号を減算する減算部と、減算部から出力される偏差信号に応じて転舵アクチュエータを駆動する駆動制御部と、から構成され、減算手段は、車速が低速であるとき操舵角速度からヨーレート信号を減算し、車速が高速であるとき操舵角信号から方位角信号を減算することを特徴とする。

上記の車両操舵装置では、操作素子で目標方位角に係る操作量信号を入力し、転舵輪の転舵角を制御するにあたって方位角フィードバック方式とヨーレートフィードバック方式を組み合せて制御する構成である。この車両操舵装置で、車速が低速または高速である場合に応じて、操作量信号とフェードバックされたヨーレート信号との偏差信号、または、操作量信号とフィードバックされた方位角信号との偏差信号によって転舵アクチュエータの駆動を制御している。これにより、低速時の旋回運動の操舵負担を軽減すると共に、高速時の緊急回避運動の成功確率を高めることが可能となる。

第２の車両操舵装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、ヨーレート信号取得部から減算部へヨーレート信号をフィードバックさせる第１フィードバック経路と、方位角信号生成部から減算部へ方位角信号をフィードバックさせる第２フィードバック経路とを備え、車速が低速であるとき第１フィードバック経路のゲインを高くしかつ第２フィードバック経路のゲインを低くし、車速が高速であるとき第１フィードバック経路のゲインを低くしかつ第２フィードバック経路のゲインを高くするように構成されている。

また本発明に係る車両操舵装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、方位角信号生成部は、ヨーレート信号取得部から出力されるヨーレート信号を積分して方位角信号を出力する積分演算部である。

本発明によれば、方位角フィードバック方式の操舵システムに対してヨーレートフィードバック方式の構成を付設し、低速時にはヨーレートフィードバック方式の操舵システムとし、高速時には方位角フィードバック方式の操舵システムとして構成したため、高速走行時には緊急回避運動を迅速に行うことができると共に、低速走行時の長い旋回運動では通常の操舵システムと同様になり運転者の操舵負担を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システム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（前輪）１２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）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。ハンドル１１と操舵角センサ１４は操舵入力装置１００を構成する。

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、操舵反力生成機構１６と、操舵トルクセンサ１７とが付設されている。

操舵反力生成機構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、操舵反力生成機構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。

上記の転舵駆動機構１３とステアリングモータ１８によって前輪転舵機構２００が構成される。

その他の検出系としては、車速センサ２２、ヨーレート（ヨー角速度）や横加速度等を検出しまたは取り出す車両挙動センサ２３が設けられている。車両挙動センサ２３の中にはヨーレート情報を取り出すヨーレート信号取得手段が含まれる。

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、操舵反力生成機構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１０の制御システムの機能的な構成を説明する。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機能ブロック図の形式で示されている。機能ブロック図で示した制御システムの構成は、主にソフトウェアで実現されるが、ハードウェアの構成で実現することもできる。制御システムをソフトウェアで実現する場合には、メモリに制御プログラムが格納され、動作時に当該制御プログラムを読出して実行する。

ＥＣＵ２４内に設けられた車両操舵装置１０の制御システムにおいて、操舵入力装置１００内の操舵角センサ１４から出力された操舵信号ＳＧ１は、第１出力調整部３１を経由して減算部３２に入力される。減算部３２には、後述されるように、方位角信号ＳＧ２とヨーレート信号ＳＧ３が、操舵信号ＳＧ１から減算される対象信号として入力される。第１出力調整部３１では、車速に応じて可変であるゲインＫｗが設定されており、車速の状態に応じて操舵信号ＳＧ１のレベルや位相が適宜に調整される。

減算部３２では、車速に応じて、操舵信号ＳＧ１からヨーレート信号ＳＧ３を減算して得られる偏差信号、または操舵信号ＳＧ１から方位角信号ＳＧ２を減算して得られる偏差信号が出力される。この偏差信号は、第２出力調整部３３を経由して前輪転舵機構２００に供給される。減算部３２から出力される偏差信号は制御信号として扱われる。第２出力調整部３３は、車速に応じて可変であるゲインＫｓが設定されており、減算部３２から出力される制御用の偏差信号のレベルや位相を車速に応じて調整する。第２出力調整部３３から出力される信号は制御駆動信号として前輪転舵機構２００に与えられ、前述の前側タイヤ１２を転舵させる。

前側タイヤ１２が操舵信号ＳＧ１に基づく制御信号に従って転舵すると、前側タイヤ１２において転舵角が生じる（状態ＳＴ１）。走行中の車両で前側タイヤ１２に転舵角が生じると、当該車両において進行方向または進行方位を変える運動が生じる。進行方向等を変える運動が車両で生じると、車両の運動状態は前述の車両挙動センサ２３により検出される。車両挙動センサ２３の中には、前述の通りヨーレート信号取得手段が含まれている。従って、車両の運動状態に起因する車両ヨーの状態は、車両挙動センサ２３に含まれるヨーレート信号取得手段によって取り出される。

図３の制御システムでは、ヨーレート信号取得手段で取り出されかつ制御に関係する要素として、車両ヨー応答特性を抽出するブロック３３が示されている。車両ヨー応答特性に係るブロック３３は、前側タイヤ１２で生じる転舵角を原因として車両の運動状態の変化を車両ヨー応答特性として抽出し、その結果としてヨーレート信号ＳＧ３を出力する。

本実施形態での操舵システムの制御では、車両における実際の制御された状態から上記減算部３２に対してフィードバックする構成を有している。フィードバックする経路は２つの経路を有する。第１のフィードバック経路は方位角フィードバック経路であり、第２のフィードバック経路はヨーレートフィードバック経路である。

方位角フィードバック経路は、ブロック３３から出力されるヨーレート信号ＳＧ３を積分する積分演算部３５と、第３出力調整部３６とから構成される。積分演算部３５は、ヨーレート信号ＳＧ３を積分して方位角信号ＳＧ２を生成し、当該方位角信号ＳＧ２を出力する。第３出力調整部３６は、車速に応じて可変であるゲインＫφが設定されており、方位角信号ＳＧ２のレベルや位相を車速に応じて調整する。第３出力調整部３６から出力された方位角信号ＳＧ２は前述のごとく減算部３２に減算形式で入力される。第３出力調整部３６のゲインＫφは、第１のフィードバック経路である方位角フィードバック経路のフィードバックゲインである。

ヨーレートフィードバック経路は、ブロック３３から出力されるヨーレート信号ＳＧ３を調整する第４出力調整部３７によって構成される。第４出力調整部３７は、車速に応じて可変であるゲインＫｒが設定されており、ヨーレート信号ＳＧ３のレベルや位相が車速に応じて調整される。第４出力調整部３７から出力されるヨーレート信号ＳＧ３は前述のごとく減算部３２に減算形式で入力される。第４出力調整部３７のゲインＫｒは、第２のフィードバック経路であるヨーレートフィードバック経路のフィードバックゲインである。

またブロック３４から出力されるヨーレート信号ＳＧ３は、操舵反力設定部３８を経由して前述の操舵反力生成部１６に供給される。操舵反力設定部３８は、車速に応じて、ヨーレート信号ＳＧ３に基づいて操舵反力信号ＳＧ４を生成する。操舵反力信号ＳＧ４は操舵反力生成機構１６に供給される。操舵反力生成機構１６は、操舵反力信号ＳＧ４に基づいて操舵反力を生成する。

車速センサ２２から出力される車速信号は、第１出力調整部３１、第２出力調整部３３、第３出力調整部３６、第４出力調整部３７、および操舵反力設定部３８に供給されている。第１出力調整部３１、第２出力調整部３３、第３出力調整部３６、第４出力調整部３７、および操舵反力設定部３８の各ゲイン等は車速に応じて変化するように設定されている。第３出力調整部３６のゲインＫφおよび第４出力調整部３７のゲインＫｒのそれぞれの車速に応じた変化は後で詳述される。

上記の制御システムにおいて、第１出力調整部３１、第２出力調整部３３、第３出力調整部３６、第４出力調整部３７の各ゲインＫｗ，Ｋｓ，Ｋφ，Ｋｒは、レベル調整特性に加えて、必要に応じて位相進み特性も含むゲインである。

次に車両操舵装置１０における制御システムの構成において、特徴的な構成および作用を説明する。

方位角フィードバック方式の操舵装置において運転者の操舵負担の大きい長い旋回運動に関する操舵は、比較的に低速の走行状態での車両操舵で生じる。他方、衝突被害に大きい高速の走行状態では、反対に緊急回避性能が問題になる。

そこで、低速時には、第４出力調整部３７のゲインＫｒを大きい値に設定し、かつ第３出力調整部３６のゲインＫφを小さい値に設定する。この結果、減算部３２では、フィードバックされるヨーレート信号ＳＧ３の入力値が大きくなり、フィードバックされる方位角信号ＳＧ２の入力値が小さくなる。従って、減算部３２では、操舵信号ＳＧ１からヨーレート信号ＳＧ３を減算して得られる偏差信号が出力される。ヨーレートフィードバック制御による当該偏差信号に基づいて、その後の前輪転舵機構２００の動作制御が実行される。これにより、低速時の車両の走行状態において、ハンドル１１の転舵角を低減することができ、運転者の操舵負担を軽減することができる。

他方、車両の走行状態が高速であるときには、第４出力調整部３７のゲインＫｒを小さい値に設定し、かつ第３出力調整部３６のゲインＫφを大きい値に設定する。この結果、減算部３２では、フィードバックされるヨーレート信号ＳＧ３の入力値が小さくなり、フィードバックされる方位角信号ＳＧ２の入力値が大きくなる。従って、減算部３２では、操舵信号ＳＧ１から方位角信号ＳＧ２を減算して得られる偏差信号が出力される。方位角フィードバック制御による当該偏差信号に基づいて、その後の前輪転舵機構２００の動作制御が実行される。これにより、高速時の車両の走行状態において、緊急回避運動の成功確率を高めることができる。

低速時および高速時に設定されるゲインＫｒおよびゲインＫφの設定値、および各ゲインの値の車速の変化に対する変化特性は、車両の基礎特性に基づいて、車速に応じて操舵応答特性が滑らかに変化するように決定される。

なお上記のごとく２つのゲインＫｒ，Ｋφが変化すると、車両のヨーレートのゲインが変化するので、操舵入力装置１００から入力される操舵信号ＳＧ１のための第１出力調整部３１のゲインＫｗも調整する必要がある。また上記の３つのゲインの値に従って最適な車両の応答特性を維持するために前側タイヤ１２の転舵量を決める第３出力調整部３６のＫｓも車速に応じて調整する。

また本実施形態に係る車両操舵装置１０では、ハンドル１１の中立位置、すなわち次の運動のための前側タイヤ１２の転舵角の原点となる位置は、方位角ハンドルである場合には方位角に応じて変化する。そのため、運転者にその状況を明確に知らせるために、車両の直進時のハンドル角位置での操舵反力が最小になるように、車両の応答パラメータ（例えばヨーレート）を参照して操舵反力を制御することも好ましい。この制御機能は、操舵反力設定部３８に設けられる。

なお運転者の特性および好みによって、望ましい車両の応答特性が変わることも想定される。そのため、旋回性能を重視する設定、回避性能を重視する設定など複数の制御プログラムを用意し、運転者によって選択できるように構成することもできる。

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。

本発明は、方位角フィードバック方式とヨーレートフィードバック方式を組み合せて成り、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システム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 操舵反力生成機構
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
１００ 操舵入力装置
２００ 前輪転舵機構

Claims (3)

1. 運転者が操舵操作する操作素子と、
   前記操作素子の操舵角もしくは操舵角速度からなる操作量を検出する操作量検出手段と、
   転舵輪の向きを変更する転舵アクチュエータと、
   車両のヨーレートに係るヨーレート信号を取り出すヨーレート信号取得手段と、
   前記車両の進行方位角に係る方位角信号を生成する方位角信号生成手段と、
   前記操作量検出手段から出力される操作量信号から、車速に応じて前記ヨーレート信号または前記方位角信号を減算する減算手段と、
   前記減算手段から出力される偏差信号に応じて前記転舵アクチュエータを駆動する駆動制御手段とを備え、
   前記減算手段は、
   前記車速が低速であるとき前記操舵角速度から前記ヨーレート信号を減算し、前記車速が高速であるとき前記操舵角信号から前記方位角信号を減算することを特徴とする車両操舵装置。
2. 前記ヨーレート信号取得手段から前記減算手段へ前記ヨーレート信号をフィードバックさせる第１フィードバック経路と、前記方位角信号生成手段から前記減算手段へ前記方位角信号をフィードバックさせる第２フィードバック経路とを備え、
   前記車速が低速であるとき前記第１フィードバック経路のゲインを高くしかつ前記第２フィードバック経路のゲインを低くし、前記車速が高速であるとき前記第１フィードバック経路のゲインを低くしかつ前記第２フィードバック経路のゲインを高くすることを特徴とする請求項１記載の車両操舵装置。
3. 前記方位角信号生成手段は、前記ヨーレート信号取得手段から出力される前記ヨーレート信号を積分して前記方位角信号を出力する積分演算手段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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