JP4916798B2

JP4916798B2 - 車両の操舵制御装置

Info

Publication number: JP4916798B2
Application number: JP2006185966A
Authority: JP
Inventors: 健介大島
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2026-07-05
Also published as: JP2008013036A

Description

本発明は、前輪をドライバによるハンドル操作とは独立して操舵自在な電動モータ等の操舵機構を有する車両の操舵制御装置に関する。

近年、車両においては、前輪をドライバによるハンドル操作とは独立して操舵自在な操舵機構を有する様々な操舵制御装置が開発され、実用化されている。

例えば、特開２０００−３０２０５４号公報では、前輪舵角、ドライバによるハンドル角、車速、操舵トルク、及び、ヨーレート等の信号からタイヤのグリップ限界を超えない範囲内での目標前輪舵角を算出し、そのときの実際の前輪舵角が目標前輪舵角になるようにモータを駆動制御し、補助操舵角調整機構を駆動させて、前輪の切り増し、又は、切り戻しを行う技術が開示されている。
特開２０００−３０２０５４号公報

ところで、車両においては、路面傾斜の影響により、ハンドルを真っ直ぐに保持していても、タイヤに横力が発生し偏走が発生する場合がある。また、フラット路面であっても、トー角やキャンバ角のアライメントに異常が有る場合や、タイヤのユニフォミティに異常がある場合は偏走をすることがある。こうした偏走を最小限に抑えようとして、ステアリングフリクションを増やしたり、ハンドルが動かないような機構を導入しようとしたり、或いは、アライメントの管理やタイヤのユニフォミティ管理値を厳しくしたりすることも考えられるが、操舵機構及びメンテナンス性の複雑化に繋がり、コストアップを招き好ましくない。また、上述の特許文献１に開示されるような従来の補助操舵角調整機構付の操舵制御装置であっても、このような偏走を抑制することができなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、装置やメンテナンス性の複雑化を招くことなく、確実に偏走を抑制することが可能な車両の操舵制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、前輪をハンドルとは独立して操舵自在な操舵機構を有する車両の操舵制御装置において、ハンドル角の絶対値が予め設定したハンドル角閾値以上の場合で、自車両の旋回方向とハンドル角の方向とが異なり、且つ、ハンドル角速度の絶対値が予め設定したハンドル角速度閾値より小さく、且つ、前輪に作用するトルクの絶対値が予め設定したトルク閾値より大きい場合に自車両が偏走していると判定する偏走判定手段と、自車両が偏走している際に、偏走の度合を示すパラメータを偏走パラメータとして演算する偏走パラメータ演算手段と、上記偏走パラメータに基づき上記操舵機構で与える舵角補正量を演算する舵角補正量演算手段とを備えたことを特徴としている。

本発明による車両の操舵制御装置によれば、装置やメンテナンス性の複雑化を招くことなく、確実に偏走を抑制することが可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１〜図５は本発明の実施の一形態を示し、図１は車両の前輪操舵装置の概略構成を示す説明図、図２は前輪操舵制御における偏走防止プログラムのフローチャート、図３は前輪操舵制御における偏走警報プログラムのフローチャート、図４は推定横力と目標前輪舵角の特性図、図５は偏走防止プログラムにより制御される前輪舵角の一例を示すタイムチャートである。

図１において、符号１は車両の前輪操舵装置を示し、この前輪操舵装置１は、ハンドル２から、ステアリングシャフト３が延出されており、ステアリングシャフト３の前端は、ユニバーサルジョイント４ａ、４ａ及びジョイント軸４ｂから成るジョイント部４を介してステアリングギヤボックス５から突出されたピニオン軸６と連結されている。

ステアリングギヤボックス５からは、左前輪７flに向けてタイロッド８flが延出される一方、右前輪７frに向けてタイロッド８frが延出されている。

タイロッド８fl、８frのタイロッドエンドは、ナックルアーム９fl、９frを介して、それぞれの側の前輪７fl、７frを回転自在に支持するアクスルハウジング１０fl、１０frと連結されている。

ステアリングシャフト３の中途部には、前輪７fl、７frをハンドル２とは独立して操舵自在な操舵機構としての前輪舵角補正機構１１が介装されており、ステアリングシャフト３は前輪舵角補正機構１１から上方に延出されたシャフト部分がアッパシャフト３Ｕ、前輪舵角補正機構１１から下方に延出されたシャフト部分がロアシャフト３Ｌとして構成されている。

前輪舵角補正機構１１の構造について以下説明する。アッパシャフト３Ｕの下端と、ロアシャフト３Ｌの上端には、それぞれ同一回転軸芯上に一対のサンギヤ１２Ｕ、１２Ｌが固設されており、この一対のサンギヤ１２Ｕ、１２Ｌは、複数（例えば、３つ）配設したピニオン軸１３に固設されたプラネタリギヤ１４Ｕ、１４Ｌと、それぞれ噛合されている。

一対のサンギヤ１２Ｕ、１２Ｌは共に、ピニオン軸１３を回転自在に軸支するキャリア１５の内部に格納されており、キャリア１５の上端外周には、電動モータ１６の出力軸１６ａに固設されたドライブギヤ１７と噛合するドリブンギヤ１８が設けられている。

電動モータ１６は、モータ駆動部２１により駆動され、モータ駆動部２１は、操舵制御部２０より入力されるモータ回転角に応じた信号に基づいて、電動モータ１６を回転させるように構成されている。

車両には、ドライバによるハンドル角θＨを検出するハンドル角センサ３１、前輪７fl、７frに作用するトルクＴＨを検出するトルクセンサ３２、ヨーレートψを検出するヨーレートセンサ３３、横加速度（ｄ^２ｙ／ｄｔ^２）を検出する横加速度センサ３４が設けられており、これらセンサ３１，３２，３３，３４からの信号は、操舵制御部２０に入力される。

そして、操舵制御部２０は、上述の各入力信号に基づいて、後述する偏走防止プログラムに従って、前輪７fl、７frをドライバによるハンドル操舵とは独立して操舵し、偏走防止を図るように構成されている。具体的には、ハンドル角θH、ハンドル角速度（ｄ^２θH／ｄｔ^２）、前輪７fl、７frに作用するトルクＴＨ、ヨーレートψに基づき自車両が偏走しているか否かを判定する。そして、自車両が偏走している場合には、前輪７fl、７frに作用するトルクＴＨに基づいてキングピン軸回りトルクＭを演算し、このキングピン軸回りトルクＭから偏走パラメータとしての前輪７fl、７frに作用する推定横力Ｆｙを演算して、この前輪７fl、７frに作用する推定横力Ｆｙから目標前輪舵角δftを演算し、目標前輪舵角δftと現在のハンドル角θHに基づいて舵角補正量θＭを演算して、モータ駆動部２１にモータ回転角θMの信号を出力する。

また、操舵制御部２０は、後述する偏走警報プログラムに従って、偏走が発生した場合には報知手段としての警告灯２２を点灯させて、ドライバやサービスマンに対して報知するようになっている。すなわち、操舵制御部２０は、偏走判定手段、偏走パラメータ演算手段、舵角補正量演算手段、及び、報知制御手段としての機能を有して構成されている。

次に、上述の操舵制御部２０で実行される前輪操舵制御における偏走防止プログラムを、図２のフローチャートに従って説明する。
まず、ステップ（以下、「Ｓ」と略称）１０１で必要なパラメータ、すなわち、ドライバによるハンドル角θＨ、前輪７fl、７frに作用するトルクＴＨ、ヨーレートψを読み込む。

次いで、Ｓ１０２に進み、ハンドル角の絶対値｜θＨ｜が、予め設定しておいたハンドル角閾値αよりも小さいか否か判定し、｜θＨ｜＜αの場合はＳ１０４に進む。

また、｜θＨ｜≧αの場合はＳ１０３に進んで、ハンドル角θＨとヨーレートψとが同一符号か否か、すなわち、ハンドルを切っている方向と実際に旋回している方向とが一致しているか否かを判定し、一致しているのであれば、そのままプログラムを抜け、一致していないのであれば、Ｓ１０４へと進む。すなわち、ハンドルを切った方向と逆方向に旋回している場合は、偏走の可能性があるため、Ｓ１０４に進んで偏走の判定を続行するのである。

Ｓ１０４に進むと、ハンドル角速度の絶対値｜ｄθＨ／ｄｔ｜が、予め設定しておいたハンドル角速度閾値βより小さいか否か判定される。

この判定の結果、｜ｄθＨ／ｄｔ｜＜βであり、転舵中ではないと判定した場合はＳ１０５に進み、｜ｄθＨ／ｄｔ｜≧βであり、転舵中と推測される場合はそのままプログラムを抜ける。

Ｓ１０５では、前輪７fl、７frに作用するトルクＴＨが、−τ＜ＴＨ＜τの小さな領域を外れており、左側或いは右側への大きなトルク値となっているか否か（換言すれば、前輪７fl、７frに作用するトルクの絶対値｜ＴＨ｜が予め設定しておいたトルク閾値τより大きいか否か）の判定が行われる。

そして、このＳ１０５の判定の結果、前輪７fl、７frに作用するトルクＴＨが、−τ＜ＴＨ＜τの小さなトルク値の場合は、偏走していないと判定してプログラムを抜け、−τ＜ＴＨ＜τの小さな領域を外れており、左側或いは右側への大きなトルク値となっている場合は、直進にも関わらず、大きなトルク値が作用して偏走していると判定し、Ｓ１０６に進む。

偏走していると判定されてＳ１０６に進むと、例えば、以下の（１）式により、キングピン軸回りトルクＭを演算する。
Ｍ＝Ｇ１・ＴＨ …（１）
ここで、Ｇ１は、車両により決定される換算係数である。

その後、Ｓ１０７に進み、例えば、以下の（２）式により、前輪７fl、７frに作用する推定横力Ｆｙを演算する。
Ｆｙ＝Ｍ／κ …（２）
ここで、κはトレール量である。

そして、Ｓ１０８に進むと、前輪７fl、７frに作用する推定横力Ｆｙが、不感帯範囲、すなわち、−γ＜Ｆｙ＜γに入っているか否か判定する。この判定の結果、前輪７fl、７frに作用する推定横力Ｆｙが、−γ＜Ｆｙ＜γの場合には、そのままプログラムを抜け、−γ＜Ｆｙ＜γ以外の場合、すなわち、Ｆｙ≦−γ、或いは、Ｆｙ≧γの場合は、Ｓ１０９に進む。

Ｓ１０９では、例えば、予め実験・演算等により設定しておいた推定横力Ｆｙと目標前輪舵角δftのマップを参照し（図４参照）、推定横力Ｆｙから目標前輪舵角δftを演算する。

そして、Ｓ１１０に進み、目標前輪舵角δftと現在のハンドル角θＨに基づき、例えば、以下の（３）式により、モータ回転角である舵角補正量θＭを演算し、モータ駆動部２１に出力して、プログラムを抜ける。
θＭ＝（δft−（θＨ／ＮＨ））・ＮＣ …（３）
ここで、ＮＨはドライバ側ステアリングギヤ比（電動モータ１６を停止させたとき、ドライバのハンドル操作に対して影響するステアリングギヤ比；一対のサンギヤ１２Ｕ、１２Ｌ、一対のプラネタリギヤ１４Ｕ、１４Ｌ、及び、ステアリングギヤボックス５によって決定されるステアリングギヤ比）である。また、ＮＣは前輪舵角補正機構１１側ステアリングギヤ比（ドライバがハンドル操作をしていない状態で電動モータ１６が回転したときに影響するステアリングギヤ比；ドライブギヤ１７、ドリブンギヤ１８（キャリア）により決定されるステアリングギヤ比）である。

尚、例えば、図５に示すように、舵角補正量θＭを出力する際に、フィルタ処理等を行って、予め設定する時間的傾きを持たせて目標値へ到達させるようにしても良い。すなわち、図５のタイムチャートでは、時刻ｔ１において、目標前輪舵角δftになるように制御が開始されるが、フィルタ処理により滑らかに移行されることになる。また、時刻ｔ２に達すると、目標前輪舵角δftが元の値に戻されるが、この場合においてもフィルタ処理により滑らかに移行される。この際、目標前輪舵角δftを増加させる場合と、減少させる場合とで異なった傾きとしても良く、また、変化させる舵角の偏差量に応じて傾きを可変するようにしても良い（例えば、偏差量が大きいほど傾きを大きくする等）。このように制御することにより、車両挙動の急変の防止やハンドル振動を防止することができ、スムーズで自然な感覚で違和感の無い制御とすることができる。

次に、上述の操舵制御部２０で実行される前輪操舵制御における偏走警報プログラムを、図３のフローチャートに従って説明する。
まず、Ｓ２０１で必要パラメータ、すなわち、ドライバによるハンドル角θＨ、ヨーレートψ、横加速度（ｄ^２ｙ／ｄｔ^２）、及び、操舵制御部２０がモータ駆動部２１に出力している舵角補正量θＭを読み込む。

次いで、Ｓ２０２に進み、ハンドル角の絶対値｜θＨ｜が、予め設定しておいたハンドル角閾値αよりも小さいか否か判定し、｜θＨ｜＜αの場合はＳ２０４に進む。

また、｜θＨ｜≧αの場合はＳ２０３に進んで、ハンドル角θＨとヨーレートψとが同一符号か否か、すなわち、ハンドルを切っている方向と実際に旋回している方向とが一致しているか否かを判定し、一致しているのであれば、そのままプログラムを抜け、一致していないのであれば、Ｓ２０４へと進む。すなわち、ハンドルを切った方向と逆方向に旋回している場合は、偏走の可能性があるため、Ｓ２０４に進んで偏走の判定を続行するのである。

Ｓ２０４に進むと、ハンドル角速度の絶対値｜ｄθＨ／ｄｔ｜が、予め設定しておいたハンドル角速度閾値βより小さいか否か判定される。

この判定の結果、｜ｄθＨ／ｄｔ｜＜βであり、転舵中ではないと判定した場合はＳ２０５に進み、｜ｄθＨ／ｄｔ｜≧βであり、転舵中と推測される場合はそのままプログラムを抜ける。

Ｓ２０５では、横加速度の絶対値｜ｄ^２ｙ／ｄｔ^２｜が、予め設定しておいた横加速閾値Ｃ１より小さいか否か判定する。

この判定の結果、｜ｄ^２ｙ／ｄｔ^２｜＜Ｃ１の場合は、Ｓ２０６へと進み、｜ｄ^２ｙ／ｄｔ^２｜≧Ｃ１の場合は、そのままプログラムを抜ける。

｜ｄ^２ｙ／ｄｔ^２｜＜Ｃ１と判定されてＳ２０６へと進むと、舵角補正量の絶対値｜θＭ｜が、予め設定しておいた補正量閾値Ｃ２より大きいか否か判定される。

そして、｜θＭ｜＞Ｃ２の場合は、偏走防止のための出力が行われていると判定し、Ｓ２０７に進んで、警告灯２２を点灯させ、更に、Ｓ２０８に進んで、警告灯点灯フラグＦａをセット（Ｆａ＝１）してプログラムを抜ける。

逆に、｜θＭ｜≦Ｃ２の場合は、偏走防止のための出力が行われていないと判定し、Ｓ２０９に進んで、警告灯点灯フラグＦａが参照される。

この警告灯点灯フラグＦａの参照の結果、Ｆａ＝１であり、現在、警告灯２２の点灯が行われている場合は、Ｓ２１０に進んで、警告灯２２を消灯させ、更に、Ｓ２１１に進んで、警告灯点灯フラグＦａをクリア（Ｆａ＝０）してプログラムを抜ける。

また、Ｓ２０９の判定の結果、Ｆａ＝０であり、現在、警告灯２２が消灯している場合は、そのままプログラムを抜ける。

このような偏走警報プログラムを備えることにより、偏走が生じた際に、確実にドライバやサービスマン等に報知でき、適切な処置を促すことができる。

このように、本実施の形態によれば、車両が偏走していることを検出した際には、これを打ち消すべく自動的に操舵補正するので、偏走を防止するために複雑な機構を設ける必要もなく、また、アライメントやタイヤのユニフォミティ管理を厳しく行うといったメンテナンス性の複雑化を招くこともなく、確実に偏走を抑制することが可能となる。

また、本実施の形態では、偏走を検出して、この偏走を無くすように制御するため、偏走の原因が、カント路面のような傾斜路面であっても、トー角やキャンバ角のアライメントに異常が有る場合であっても、更に、タイヤのユニフォミティに異常がある場合であっても確実に対応可能である。

更に、本実施の形態における偏走の検出を、他の手段、例えば、カメラを用いて前方走行路を認識し、この認識結果に基づいて路面の傾斜を判定するような手段、或いは、ナビゲーションシステムの地図情報等から路面の傾斜を判定するような手段と併用し、より確実に偏走を検出するようにしても良い。

車両の前輪操舵装置の概略構成を示す説明図前輪操舵制御における偏走防止プログラムのフローチャート前輪操舵制御における偏走警報プログラムのフローチャート推定横力と目標前輪舵角の特性図偏走防止プログラムにより制御される前輪舵角の一例を示すタイムチャート

符号の説明

１前輪操舵装置
２ハンドル
３ステアリングシャフト
４ジョイント部
５ステアリングギヤボックス
７fl，７fr 前輪
１１前輪舵角補正機構（操舵機構）
１６電動モータ
２０操舵制御部（偏走判定手段、偏走パラメータ演算手段、舵角補正量演算手段、報知制御手段）
２１モータ駆動部
２２警告灯（報知手段）
３１ハンドル角センサ
３２トルクセンサ
３３ヨーレートセンサ
３４横加速度センサ

Claims

前輪をハンドルとは独立して操舵自在な操舵機構を有する車両の操舵制御装置において、
ハンドル角の絶対値が予め設定したハンドル角閾値以上の場合で、自車両の旋回方向とハンドル角の方向とが異なり、且つ、ハンドル角速度の絶対値が予め設定したハンドル角速度閾値より小さく、且つ、前輪に作用するトルクの絶対値が予め設定したトルク閾値より大きい場合に自車両が偏走していると判定する偏走判定手段と、
自車両が偏走している際に、偏走の度合を示すパラメータを偏走パラメータとして演算する偏走パラメータ演算手段と、
上記偏走パラメータに基づき上記操舵機構で与える舵角補正量を演算する舵角補正量演算手段と、
を備えたことを特徴とする車両の操舵制御装置。
上記偏走判定手段は、ハンドル角の絶対値が上記予め設定したハンドル角閾値より小さい場合には、ハンドル角速度の絶対値が上記予め設定したハンドル角速度閾値より小さく、且つ、前輪に作用するトルクの絶対値が上記予め設定したトルク閾値より大きい場合に偏走していると判定することを特徴とする請求項１記載の車両の操舵制御装置。
上記偏走パラメータは、前輪に作用する推定横力であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両の操舵制御装置。
上記舵角補正量演算手段で演算する舵角補正量は、予め設定する時間的傾きを持たせて目標値へ到達させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の車両の操舵制御装置。
車両の横加速度の絶対値が予め設定した横加速度閾値より小さく、且つ、上記舵角補正量演算手段で予め設定した補正量閾値を超える舵角補正量が演算された場合には報知手段を作動させる報知制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の車両の操舵制御装置。