JP5800194B2 - 車両用操舵装置及び荷役車両 - Google Patents

Description

本発明は、フォークリフトなどの荷役車両に用いる車両用操舵装置に関するものである。

フォークリフトでコーナーを旋回する際、フォークリフトは後輪が転舵輪になっているので、初め操舵部材を小舵角回して前部（フォーク部分）を軽く向けてから、急操舵で後部をコーナー外側に振るという、フォークリフト特有の操舵をする。
フォークリフトの操舵装置には、油圧式パワーステアリング装置又は電動式パワーステアリング装置が用いられている。油圧式パワーステアリング装置は、運転者の操舵に基づいて、油圧ポンプを電動モータで駆動して作動油を油圧シリンダに供給し、油圧シリンダのピストンを移動させ、転舵輪を転舵させる。電動式パワーステアリング装置は、運転者の操舵に基づいて、電動モータを駆動して、後輪のラック軸及びそれに連結されるタイロッドを移動させ、転舵輪を転舵させる。

フォークリフトにおいては、操舵部材と後輪との間の機械的な連結が断たれた、いわゆるステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置が採用される。この場合、運転者の操舵に反力感を与えるため、後輪から操舵部材に返される反力を、操舵角に応じて作っている（下記特許文献１）。

特開2006-298275号公報

従来から採用されてきたフォークリフトの反力と操舵角θhとの関係を例示すると、図９のようになる。横軸は操舵角θhを表し、縦軸は反力を表す。このような関係の下で、直角コーナーを右旋回する際の操舵の流れは次のようになる。
（１）旋回の初期（０度近く）では、操舵部材を小舵角回して前部（フォーク部分）を軽く右に向ける。このとき操舵角θhは、図９の“Ａ”で示す領域にあり、運転者の受ける反力は小さい。（２）旋回の前半では、急操舵で後部をコーナー外側に振る。このとき操舵角θhは、図９の“Ｂ”で示す領域にあり、運転者は大きな反力を受ける。この反力は、操舵に力が入りすぎて操舵角が意図に反して大きくなってしまうことを防止するため、運転者に与えられるものである。運転者はこの反力に逆らって操舵部材を回すことになる。（３）旋回の後半に入ると、操舵方向を反転させ、急操舵で後部を直進方向に戻さなければならない。もしハンドルの戻しが遅れると、車両を直進状態に収束させることが難しくなる。例えば、フォークリフトは直角を超えて旋回し過ぎになり、接触事故などにつながる。

フォークリフトにおいては、その用途上、操舵角の範囲が広く、かつ、操舵の頻度も高いので、運転者のハンドル操作量が大きく負担が大きいものである。
したがって前述の（３）旋回後半において、運転者が急操舵で操舵方向を反転させるときに、ハンドルの戻しがスムーズにできるように、運転者に与える反力を増やして操舵をアシストしてやるような制御が望まれていた。

そこで本発明は、車両旋回時、特にハンドルの戻し時に運転者の操舵負担を低減することができる車両用操舵装置及び荷役車両を提供することを目的とする。

本発明の車両用操舵装置は、タイヤを転舵させる転舵輪駆動機構と、操舵部材の操舵角を検出する操舵角検出部と、前記操舵部材に操舵反力を付与する反力アクチュエータと、前記転舵輪駆動機構を駆動する転舵アクチュエータと、車体のヨー角を検出するヨー角検出部と、少なくとも前記操舵角検出部によって検出された操舵角の関数として操舵反力を設定し、その設定された操舵反力を実現するように前記反力アクチュエータを制御する反力アクチュエータ制御部とを備え、前記反力アクチュエータ制御部は、前記ヨー角検出部によって検出された車体のヨー角の変化に基づいて車体の旋回量を観測し、観測された旋回量が基準角以上であれば、前記操舵部材に付与する操舵反力を増大させるものである。また、前記反力アクチュエータ制御部は、増大させた前記操舵反力を、時間が経過するに従って小さくしていく制御と、前記操舵角検出部によって検出された操舵角に基づいて直進走行になったと判定されれば、前記操舵反力の増大を停止する制御とを行うようにも設計されている。

この構成であれば、反力アクチュエータ制御部は、操舵角に応じて設定された操舵反力を実現するように前記反力アクチュエータを制御している。基準角以上に車体が旋回すれば、車両は、例えば直角コーナーなど、角度の大きなコーナーを旋回していると推定することができる。そこで操舵部材に付与する操舵反力を増大させる。ここで「基準角」とは、車両が直角コーナーなど角度の大きなコーナーを旋回する場合に観測される車体の旋回量に相当する角度である。この制御により、旋回の後半に入って操舵反力を増大させることにより、ハンドルの戻しをスムーズにし、車両を速やかに直進状態に収束させることができる。なお、増大させた前記操舵反力を、時間が経過するに従って小さくしていく制御により、ハンドルの切り戻しが進み直進走行に至るまで徐々に反力を弱めていくことにより、車両旋回時の不安定を回避し、運転者に自然な操舵感を与えることが出来る。直進走行になれば、前記操舵反力の増大を停止する。

本発明の荷役車両は、前述した車両用操舵装置を装備した車両である。

フォークリフトの概略構成を示す模式的側面図である。 車両用操舵装置の全体を示す構成図である。 反力系ＥＣＵ１６によって反力制御するための制御ブロック図である。 反力制御手順を説明するためのフローチャートである。 積載荷重を考慮した反力制御手順を説明するためのフローチャートである。 前進時の積載物の重量Ｗと基準値Ｓ1との関係を示すグラフである。 後退時の積載物の重量Ｗと基準値Ｓ1との関係を示すグラフである。 ゲインＫを固定値に設定してから、時間が経過するに連れてゲインＫを小さくしていく場合の、ゲインＫの時間変化を示すグラフである。 操舵角θhと反力との関係を表したグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の荷役車両としてのフォークリフト１の概略構成を示す模式的側面図である。フォークリフト１は、車体２と、その車体２の前部に設けられた荷役装置３と、車体２を支持する駆動輪としての前輪５及び転舵輪としての後輪６と、後輪６を転舵させるための車両用操舵装置７とを備えている。

車両用操舵装置７は、運転室８に設けられた操舵部材１０と転舵輪である後輪６との間の機械的な連結が断たれた、いわゆるステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置である。本実施形態では、操舵部材１０は、ノブ１０ａ付きの手回しステアリングホイールであり、運転者は、ステアリングホイールに回転可能に設けられたノブ１０ａを把持し、ステアリングホイールを回転させたり止めたりする。

フォークリフト１は、積載物の重量を検出する重量センサをさらに備えている。重量センサは、積載荷重の大きさに応じて変化するリフトシリンダ（図示せず）内の油圧を測定する油圧センサ２３と、モーメント測定手段としてのロードセル２４とを備えている。ロードセル２４は荷物を積載したフォーク２５の背後に対応する位置であって、フォーク２５の付根部分が荷役装置３を押圧する力（モーメント）を測定するように設置されている。重量センサによって積載物の重量を検出する原理は公知であり、例えば特開2010-83669号公報に説明されている。

図２は、車両用操舵装置７の全体を示す構成図である。車両用操舵装置７は、操舵部材１０が連結されたシャフト１１と、シャフト１１を回転自在に支持する円筒状のコラム１２と、操舵部材１０の操舵角θhを検出する操舵角センサ１３と、コラム１２の中に配置され操舵部材１０の操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ１４と、ギヤ１７を介して操舵部材１０に操舵反力を付与する反力アクチュエータとして機能する反力モータ１５と、反力モータ１５を駆動制御する反力系ＥＣＵ１６（電子制御ユニット）１６とを備えている。操舵トルクセンサ１４は、シャフト１１の中間に介装されたトーションバーの捩れ角を検出することにより操舵トルクを検出する。操舵角センサ１３は操舵部材１０のシャフト１１の外周に取り付けられた磁気素子をホールセンサで検出することによりシャフト１１の回転角を検出する。なおこの実施形態では、操舵角センサ１３は操舵部材１０の中立位置から操舵部材１０の正逆両方向への回転角を検出するものであり、中立位置から右方向への回転角を正の値として出力し、中立位置から左方向への回転角を負の値として出力するものとする。反力モータ１５はコラム１２内にシャフト１１と別軸に設置され、ギヤ１７によって決まる所定のギヤ比でシャフト１１を回転駆動する直流モータである。なお反力モータ１５は、コラム同軸に配置されていても良い。

また車両用操舵装置７は、車体に保持され、車両の左右方向に延びる転舵軸としてのラック軸１７と、ラック軸１７を移動可能に支持するラック支持体１８と、ラック軸１７を移動させる転舵モータ１９と、転舵モータ１９を駆動制御する転舵系ＥＣＵ２２と、後輪６の転舵位置（本明細書では「転舵角」という）を検出する転舵角センサ２０とを備えている。転舵モータ１９は、ラック支持体１８の中に内蔵されているラック同軸型の直流モータである。転舵モータ１９の回転運動は、ラック支持体１８に内蔵されている転舵ギヤを介してラック軸１７の平行運動に変換され、ラック軸１７の一対の端部にそれぞれ連結されたタイロッド２１Ｌ，２１Ｒを介して後輪６に伝達され、これにより後輪６が転舵される。転舵角センサ２０は、ラック軸１７の変位位置と後輪６の転舵角とが対応することを利用して、ラック軸１７の変位位置をストロークセンサで検出することで、後輪６の転舵角を検出している。

また操舵部材１０の操作に応じて後輪６を転舵させるため、反力系ＥＣＵ１６と転舵系ＥＣＵ２２とは車内ＬＡＮ（ＣＡＮ）によって接続されている。
さらにこの車両用操舵装置７には、車体に取り付けられたヨーレートセンサ３３と前述した重量センサ３４が備えられている。ヨーレートセンサ３３は車両の回転角速度（ヨーレート）γを検出するセンサであり、例えば圧電素子を用いて振動体にかかるコリオリの力を検出することにより、車両の回転角速度を検出する。このヨーレートは、車両の回転角が右方向へ増大するときは正の値として出力し、左方向へ増大するときは負の値として出力するものとする。重量センサ３４は、前述したように、フォーク２５に積載した積載物の重量を検出するセンサである。

さらに前輪５又は後輪６のロータには、車輪の回転速度を検出する車輪速センサ３５が取り付けられている。車輪速センサ３５は、車輪のロータの回転速度を光学的に読み取るセンサであって、読み取った回転速度に、タイヤの有効回転半径をかけることにより、車速ｖを検出する。
転舵系ＥＣＵ２２は、操舵角センサ１３によって検出された操舵角に基づいて転舵モータ１９を回転駆動する。転舵モータ１９の回転は、転舵ギヤを介してラック軸１７の平行運動に変換され、ラック軸１７の一対の端部にそれぞれ連結されているタイロッド２１Ｌ，２１Ｒを介して後輪６に伝達され、これにより後輪６が転舵される。

図３は反力系ＥＣＵ１６によって制御される反力制御ブロック図を示す。反力系ＥＣＵ１６の目標反力電流算出部Ｂ１には、操舵角センサ１３から検出操舵角θhを表す操舵角信号が車内ＬＡＮを経由して入力される。
目標反力電流算出部Ｂ１は、図９に示した操舵角θhと反力との関係を関数として記憶しており、この関係に基づいて、操舵角θhを目標反力電流に変換する。目標反力電流は、ゲインＫの増幅器Ｂ２によって増幅され、電流制御部Ｂ３に入力される。一方、反力モータ１５に流れる電流が検出され、その反転信号が電流制御部Ｂ３に入力され、電流制御部Ｂ３で目標反力電流と反力モータ１５に流れる電流との差がとられて、この差がＰＷＭ出力回路Ｂ４に供給され、反力モータ１５を駆動するためのＰＷＭ駆動信号が生成される。そしてこのＰＷＭ駆動信号を反力モータ１５に供給することにより、反力モータ１５→ギヤ１７→シャフト１１を介して、操舵部材１０に反力トルクが与えられる。

一方、増幅器Ｂ２のゲインＫを変更する制御部Ｂ５が設けられている。制御部Ｂ５には、操舵角θhを表す信号と、積分回路Ｂ６からの車体のヨー角（旋回角）δを表す信号と、積載物の重量Ｗを表す信号が入力される。積分回路Ｂ６はヨーレートセンサ３３から得られるヨーレートγを、次の式により時間積分して車体のヨー角δを算出する演算部である。δ＝∫γdt、ここで積分範囲は旋回に入る前の直進時から旋回中の現在時点までである。旋回が開始されたことは、例えば操舵角センサ１３によって検出される操舵角θhがある閾値を超えたことによって判断することができる。

増幅器Ｂ２のゲインＫは、制御部Ｂ５によって、車体の旋回量が基準角以上であれば、所定時間にわたって増大されるように、制御される。
以下、制御部Ｂ５の行う制御処理を、フローチャート（図４）を用いて詳しく説明する。なお積載物の重量Ｗは、積載荷重を考慮した反力制御手順を示す他のフローチャート（図５）において用いられ、このフローチャート（図４）を実施する場合、参照しない。

まず図４で、最初の時点で増幅器Ｂ２のゲインＫを“１”とおき（ステップＳ１）、積分回路Ｂ６から得られるヨー角δを取り込む（ステップＳ２）。つぎにこのヨー角δの絶対値を基準値Ｓ1と比較する（ステップＳ３）。基準値Ｓ1は、車両が直角コーナーなど、角度の大きなコーナーを旋回していると判断することができる値（例えば８０度）に設定される。

ステップＳ３でヨー角δの絶対値が基準値Ｓ1よりも小さければ、デフォルトのゲインＫに基づき反力制御を行う（ステップＳ１１）。
ヨー角δの絶対値が基準値Ｓ1よりも大きければ、ステップＳ４に移り、増幅器Ｂ２のゲインＫを増大させる。例えば“１．５”という値にする。このように旋回の後半に入って操舵反力を増大させることにより、ハンドルの戻しをアシストし、車両を速やかに直進状態に収束させることができる。

増幅器Ｂ２のゲインＫの増大と同時に、タイマーをスタートさせ（ステップＳ５）、増大したゲインＫに基づき反力制御を行う（ステップＳ６）。この反力制御は操舵角θhが一定の範囲内（−θ0＜θh＜θ0）に収束するまで行う（ステップＳ７）。この範囲を決めるθ0は車両が直進走行に戻ったかどうかを判断するための閾値であるから、非常に小さな値（例えば５度）に設定される。操舵角θhが一定の範囲内（−θ0＜θh＜θ0）に収束すれば、積分回路Ｂ６はヨー角δ、すなわちヨーレートγの時間積分値を０にクリアし（ステップＳ９）、タイマーのカウント値を０に戻して（ステップＳ１０）、制御から出る。

制御部Ｂ５はこの反力制御を、周期的に繰り返し行っている。次の周期に入れば、再度ステップＳ１からスタートする。
操舵角θhが一定の範囲内（−θ0＜θh＜θ0）に収束するまでは、ステップＳ７からステップＳ８に移り、タイマーのカウント値が設定値Ｔ1に到達しているかどうか調べる。設定値Ｔ1に到達するまでは、反力制御を続行する（ステップＳ６）。設定値Ｔ1に到達すれば、操舵角θhが一定の範囲内（−θ0＜θh＜θ0）に収束していなくても、反力制御を打ち切る（ステップＳ８のYES）。設定値Ｔ1は、車両が直角コーナーを旋回しているときに、通常ハンドルの切り戻しに要する時間と判断される値（例えば１秒）に設定する。車両が直角コーナーを旋回しているのでなく１８０度コーナーを旋回している、すなわちＵターンしている場合は、ハンドルの切り戻しに設定値Ｔ1以上の時間がかかるので、この場合は設定値Ｔ1の経過後、反力によるアシストを中止し、ヨーレートγの時間積分値を０にクリアし（ステップＳ９）、タイマーのカウント値を０に戻して（ステップＳ１０）、制御から抜ける。設定値Ｔ1を設ける理由は、設定値Ｔ1以上の時間がかかる場合Ｕターンしていると判断し、反力アシスト増の状態を解除するためである。

以上のように本発明の実施形態によれば、フォークリフト１の運転者は、車両走行時には操舵部材１０を回して、一定の操舵反力を感じながらフォークリフト１を転舵させることができる。特に直角コーナーでは、旋回の後半に入って操舵反力を増大させることにより、車両を速やかに直進状態に収束させることができる。
図５は、積載荷重を考慮した反力制御手順を説明するためのフローチャートである。この制御では、重量センサ３４によって検出された積載物の重量Ｗを用いる。

最初の時点で増幅器Ｂ２のゲインＫを“１”とおき（ステップＴ１）、積分回路Ｂ６から得られるヨー角δと積載物の重量Ｗを取り込む（ステップＴ２）。つぎにフォークリフト１の前進／後退を示すシフトギヤの信号に基づいて、フォークリフト１の前進／後退の状態を判定する（ステップＴ４）。
前進であるならば、ヨー角δの絶対値を基準値Ｓ1と比較する（ステップＴ５）。基準値Ｓ1は、車両が直角コーナーなど、角度の大きなコーナーを旋回していると判断することができる値に設定されるが、本制御では、積載物の重量Ｗに応じて基準値Ｓ1の設定値を変更する。図６は、積載物の重量Ｗと基準値Ｓ1との関係を示すグラフである。積載物がない（重量Ｗ＝０）の場合、基準値Ｓ1を例えば８０度に設定するが、積載物の重量Ｗが大きくなるに従って基準値Ｓ1を小さくしていく。積載物の重量Ｗが制限重量に近ければ基準値Ｓ1を例えば７０度に設定する。このように、積載物の重量Ｗが大きいほど基準値Ｓ1を小さくしていく理由は、積載重量が大きいときはオーバーステアの傾向になるので、旋回の比較的早期からハンドル戻し機能を働かせるためである。

一方、後退であるならば、ヨー角δの絶対値を基準値Ｓ2と比較する（ステップＴ６）。基準値Ｓ2は、図７に示すように、積載物がない（重量Ｗ＝０）ときは基準値Ｓ2を例えば７５度に設定し、積載物の重量Ｗが大きくなるに従って基準値Ｓ2を大きくしていく。積載物の重量Ｗが制限重量に近ければ基準値Ｓ2を例えば８０度に設定する。この理由は、後退しながら旋回する場合、進行方向側のタイヤつまり後輪が転舵輪となるので、積載重量が大きいときはアンダーステアの傾向になるので、運転者に反力を与えるタイミングを遅らせ、旋回の比較的後期にハンドル戻し機能を働かせるためである。

ステップＴ５，Ｔ６でヨー角δの絶対値が基準値Ｓ1，Ｓ2よりも小さければ、通常のゲインＫに基づき反力制御を行う（ステップＴ１４）。
ステップＴ５，Ｔ６でヨー角δの絶対値が基準値Ｓ1，Ｓ2よりも大きければ、ステップＴ７に移り、増幅器Ｂ２のゲインＫを増大させる。例えば“１．５”という値にする。このように基準値Ｓ1，Ｓ2を超えた旋回の後半に入って操舵反力を増大させることにより、ハンドルの戻しをアシストし、車両を速やかに直進状態に収束させることができる。

これ以後の制御（ステップＴ８〜Ｔ１３）は、図４を用いて説明したのと同様である。
以上のように、前進しながら旋回している時は積載物の重量Ｗが大きいほど、操舵反力を増大させるタイミングを早め、後退しながら旋回している時は積載物の重量Ｗが大きいほど、操舵反力を増大させるタイミングを遅らせるという制御内容を採用することにより、フォークリフト１の運転者は、直角コーナーでは、旋回の後半に入って適切なタイミングで操舵反力を受けながら操舵することができる。よって、旋回後半の車両のふらつき旋回を防止し、運転者の操舵負担を軽減しながら、車両を速やかに直進状態に収束させることができる、
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、ヨー角が基準値Ｓを超えた時点で増幅器Ｂ２のゲインＫをＫ＝１．５という固定値にしてから、時間が経過するに連れてゲインＫを徐々に小さくしていく、という実施例を採用しても良い。図８はこの場合のゲインＫの変化を示すグラフである。このようにゲインＫを徐々に小さくしていくことにより、ハンドルの切り戻しが進み直進走行に至るまで徐々に反力を弱めていくことにより、車両旋回時の不安定を回避し、運転者に自然な操舵感を与えることが出来る。

また上述の実施形態では、車両用操舵装置７にヨーレートセンサ３３を設け車両ヨーレートγを積分することにより車両のヨー角を算出していたが、ヨーレートセンサ３３を省いて、操舵角センサ１３により検出した操舵角を積分することにより車両のヨー角を算出してもよい。また、転舵輪として、車体２の左右にそれぞれ後輪６を設ける構成に代えて、単一の後輪６を車体２の左右方向の中央に設けてもよい。また、上述の実施形態では、転舵輪駆動機構として、転舵モータ１９によって駆動するラック軸１７を採用したが、電動式油圧ポンプによって駆動する油圧シリンダを採用しても良い。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

１…フォークリフト（荷役車両）、２…車体、３…荷役装置、５…前輪（駆動輪）、６…後輪（転舵輪）、７…車両用操舵装置、１０…操舵部材、１３…操舵角センサ、１５…反力モータ、１６…反力系ＥＣＵ、１７…ラック軸、３３…ヨーレートセンサ、３４…重量センサ

Claims (6)

1. タイヤを転舵させる転舵輪駆動機構と、操舵部材の操舵角を検出する操舵角検出部と、前記操舵部材に操舵反力を付与する反力アクチュエータと、前記転舵輪駆動機構を駆動する転舵アクチュエータと、車体のヨー角を検出するヨー角検出部と、前記操舵角検出部によって検出された操舵角の関数として操舵反力を設定し、その設定された操舵反力を実現するように前記反力アクチュエータを制御する反力アクチュエータ制御部とを備え、
   前記反力アクチュエータ制御部は、前記ヨー角検出部によって検出された車体のヨー角の変化に基づいて車体の旋回量を観測し、観測された旋回量が基準角以上であれば、前記操舵部材に付与する操舵反力を増大させる第１の制御と、増大させた前記操舵反力を、時間が経過するに従って小さくしていく第２の制御と、前記操舵角検出部によって検出された操舵角に基づいて直進走行になったと判定されれば、前記操舵反力の増大を停止する第３の制御とを行うように設計されている、車両用操舵装置。
2. 前記反力アクチュエータ制御部は、所定時間にわたって、前記操舵部材に付与する操舵反力を増大させる、請求項１に記載の車両用操舵装置。
3. 積載物の重量を検出する重量検出部をさらに備え、前記反力アクチュエータ制御部は、前記重量検出部の検出値に応じて前記基準角の値を変更する、請求項１又は請求項２に記載の車両用操舵装置。
4. 前記反力アクチュエータ制御部は、車両の前進時は前記重量検出部の検出値が大きいほど前記基準角の値を小さくし、車両の後退時は前記重量検出部の検出値が大きいほど前記基準角の値を大きくする、請求項３に記載の車両用操舵装置。
5. 前記操舵部材と前記転舵輪駆動機構との機械的な連結が断たれたステアバイワイヤ式を採用する請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の車両用操舵装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の車両用操舵装置を装備した荷役車両。

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