JP5883298B2 - ステアリング軸を備えた車両のふらつき防止装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステアリング軸（ハンドルステム）にフロントバスケット、チャイルドシート等の積載具を取り付けた自転車、バイク等の車両のふらつき防止装置に関する。

従来電動自転車において、ハンドルを取り付けたステアリング軸を支持するフレームにハンドル角度・角速度センサ、ハンドル反力モータを取り付けて前輪、後輪の操舵を制御する装置が提案されている（特許文献１）。

特開２００８−６２７６９号公報

前記電動自転車は、ハンドル角度・角速度センサ等により検出したハンドルの操舵情報に基づいて、前輪と後輪を同じ向き（同相）で操縦することにより直立安定性を向上させている。しかし前記電動自転車は、ステアリング軸にフロントバスケット等の積載具を取り付けていないし、積載具の揺れに起因して生じる自転車のふらつき防止については考慮されていない。
本発明は、ステアリング軸にフロントバスケット、チャイルドシート等の積載具を取り付けた車両において、積載具の揺れに起因して生じる揺れトルクを推定し、その揺れトルクをモータによって打ち消し、積載具の揺れに起因するふらつきを防止することを目的とする。

本発明は、その目的を達成するため、請求項１に記載の車両のふらつき防止装置は、ステアリング軸に積載具を取り付けた車両において、積載具の揺れにより生じてステアリング軸に伝わる揺れトルクを推定し、モータにより揺れトルクを打ち消すモータトルクを発生してそのモータトルクをステアリング軸に加えて揺れトルクを打ち消すことを特徴とする。
請求項２に記載の車両のふらつき防止装置は、請求項１に記載の車両のふらつき防止装置において、前記揺れトルクを調整してステアリング軸に人が加える人トルクを増力する手段を備えていることを特徴とする。
請求項３に記載の車両のふらつき防止装置は、請求項２に記載の車両のふらつき防止装置において、前記揺れトルクは、積載具の回転角速度とステアリング軸の回転角速度を用いて積載具の慣性モーメントを算出し、その慣性モーメントを用いて算出し、前記人トルクは、その算出した揺れトルク、モータ電流を用いて算出したトルク及びステアリング軸の回転角速度を用いて算出したトルクを加算して算出することを特徴とする車両のふらつき防止装置。することを特徴とする。
請求項４に記載の車両のふらつき防止装置は、請求項３に記載の車両のふらつき防止装置において、積載具の回転角速度の検出には積載具に取り付けた加速度センサを用い、ステアリング軸の回転角速度の検出にはモータに取り付けた回転速度センサを用い、モータ電流の検出には電流センサを用いることを特徴とする。

本発明は、ステアリング軸に積載具を取り付けた車両において、積載具の揺れによりステアリング軸に伝達される揺れトルクをモータのトルクにより打ち消すことができるから、車両のふらつきを防止することができる。また本発明は、揺れトルクの打ち消しに用いるモータを用いて車両のハンドル操作に必要な人トルクを増力することができる。
本発明は、積載具の積載質量に対応する揺れトルクを算出できるから、積載質量が変化してもふらつきを防止できる。

図１は、本発明の実施の形態に係るふらつき防止装置を備えた自転車の概要図である。 図２は、本発明の実施例に係るふらつき防止装置の概要を示すブロックである 図３は、本発明の実施例に係るふらつき防止装置のブロック線図である。 図４は、本発明の実施例に係るアシスト機能付きふらつき防止装置のブロック線図である。 図５は、本発明の実施例に係るふらつき防止装置の振動伝達抑制作用のシミュレーションの結果を示す。 図６は、本発明の実施例に係るふらつき防止装置のフロントバスケットに積載した荷物の質量に対する実等価慣性モーメントとフロントバスケットの推定慣性モーメントのシミュレーションの結果を示す。

図１は、本発明の実施の形態に係るふらつき防止装置を備えた自転車の概要を示す。
なお自転車は、ステアリング軸等の一部分のみを図示してある。
図１（ａ）において、自転車は、ハンドル１２を取り付けたステアリング軸（ハンドルステム）１１、ステアリング軸１１を支持するフレーム１３、車輪１４を備えている。ステアリング１１には、フロントバスケット１５１の取り付け具１５２、ギア１７２を取り付けてある。フレーム１３には、取り付け具１８によりモータ１６１とマイクロコンピュータからなる制御装置１６２を取り付けてある。モータの回転軸にはギヤ１７１を取り付けてあり、ギヤ１７１は、ギア１７２に結合している。モータ１６１には、回転速度センサ（図示せず）と電流センサ（図示せず）を、フロントバスケット１５１には、加速度センサ（図示せず）を取り付けてある。

フロントバスケット１５１の取り付け具１５２は、コンプライアンスを有するから、ステアリング軸１１とステアリング軸１１に固定したフロントバスケット１５１は、２慣性制御システムとして扱うことができ、その２慣性制御システムは、図１（ｂ）のブロック線図で表すことができる。
図（ｂ）において、Ｔ_Hは、人がハンドル１２、ステアリング軸１１に加えるトルク（人トルク）、Ｔ_fは、フロントバスケット１５１の揺れにより生じてステアリング軸１１に伝達される揺れトルク（ステアリング軸トルク）、Ｊ₁は、ステアリング軸１１の慣性モーメント、Ｊ₂は、フロントバスケット１５１の慣性モーメント、Ｄ１、Ｄ２は、ステアリング軸とフロントバスケットの粘性制動係数、Ｋは、ステアリング軸の剛性、ｓは、ラプラス変数、ω₁は、慣性モーメントＪ₁（ステアリング軸１１）の回転角速度、ω₂は、慣性モーメントＪ₂（フロントバスケット）の回転角速度である。

揺れトルクＴ_fは、
Ｔ_f＝［ｓＫ（ｓＪ₁＋Ｄ₁）／｛（ｓＪ₂＋Ｄ₂）＋ｓＫ（ｓＪ₁＋Ｄ₁）（ｓＪ₂＋Ｄ₂）＋ｓＫ（ｓＪ₁＋Ｄ₁）²｝］Ｔ_H・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
により求めることができる。
また慣性モーメントＪ₂は、
Ｊ₂＝（（ω₁／ω₂）−１）・１／（ｓ²Ｋ）・・・・・・・・・・・・（２）
により求めることができる。

回転角速度ω₁は、モータ１６１の回転速度センサにより、回転角速度ω₂は、フロントバスケット１５１に取り付けた加速度センサが検出した加速度を積分して求めることができる。

フロントバスケット１５１の取り付け具１５２は、コンプライアンスを有するから、人がハンドル１２に力を加えるとフロントバスケット１５１は遅れて回転する。そのためフロントバスケット１５１が振動し、その振動はステアリング軸１１に伝達されるため、自転車は走行時にふらつくことになる。
そこで本実施の形態は、ステアリング軸１１に固定したフロントバスケット１５１とステアリング軸１１を、２慣性制御システムとして扱うことができる点に着目して、ステアリング軸１１、フロントバスケット１５１、モータ１６１を組み合わせて制御システムを構成し、制御装置１６２において、ステアリング軸１１に加わる揺れトルクＴ_fを推定し、モータ１６１によりその揺れトルクＴ_fを打ち消すのに必要なモータトルクを発生し、そのモータトルクを、ギア１７１，１７２を介してステアリング軸１１に加えて揺れトルクＴ_fを打ち消すように構成してある。
またフロントバスケット１５１の荷物の質量が大きい場合には、ハンドル１２を操作するとき、ステアリング軸１１の回転に大きなトルク（人トルク）が必要になるから、ハンドルの操作を容易にするため、人トルクＴ_Hを増力するアシストシステムを付加してある。アシスト率は、ハンドル操作者の好みにより任意に設定することができる。

図２は、本発明の実施例に係るふらつき防止装置の概要を示すブロックである。
ブロック４１５においてフロントバスケットの加速度を検出し、ブロック４１７においてフロントバスケットの回転角速度ω₂を算出する。ブロック４１８においてフロントバスケット部の慣性モーメントを算出する。
ブロック４１９においてブロック４１８によって推定されたフロントバスケット部の慣性モーメントの推定値と、ω₂を使って、フロントバスケットが生成している揺れトルクＴ_fを算出する。
ブロック４１６において、ステアリング軸の角回転速度ω₁を検出する。
ブロック４１２においてモータの電流を検出し、これをモータのトルクの代表値として制御のために供する。
ブロック４１１モータコントローラは与えられたトルク指令にモータのトルク出力が追従するようにモータへの電流を制御する。
ブロック４２３では、Ｔ_fの推定値、モータ電流値、ω₁より、ハンドルに人が加えたトルク（人トルク）Ｔ_Hを推定する。ブロック４２２では、推定されたＴ_Hを増幅し、モータによる人のハンドル操作に対するアシスト量を設定する。
Ｔ_fの推定値にブロック４２３および４２２で設定されたアシストトルクが加算されてブロック４１１モータコントローラに入力され、ブロック４１３モータがバスケット質量によるトルクを打ち消しつつ、人のハンドル操作をアシストするトルク（アシストトルク）を発生する。
フロントバスケットが生成する揺れトルクＴ_fは、フロントバスケットに入れられた荷物の質量が変われば変化する。この実施例によれば、荷物の質量が変化した場合においても、フロントバスケットの慣性モーメントを自動的に推測し、フロントバスケットが生成する揺れトルクを推測できるので、適切に揺れトルクを相殺し、ハンドルのふらつきを防止することができる。
ブロック４２０は、振動抑制のためのループである。ω₁の微分値と、振動抑制ゲインを使って振動抑制項を生成し、モータトルク指令値から差し引くことで系の振動を抑制する。

図３、図４は、本発明の実施例に係るふらつき防止装置をモデル化したブロック線図である。
図３、図４において、Ａは電流制御ゲイン、Ｂは振動抑制ゲイン、Ｃはアシストゲイン、ｇ_rは動力伝達機構のギア比、Ｋ_tはトルク定数、Ｌはモータのインダクタンス、Ｒはモータの巻線抵抗、Ｔ_Hは人がハンドルに加えたトルク（人トルク）、θはハンドルの角度である。
図３は、フロントバスケットとステアリング軸の２慣性制御システムとモータからなるふらつき防止装置のブロック線図である。
図３において、ブロック２１は、図１（ｂ）の２慣性制御システムに相当し、ブロック２２は、２慣性制御システムの一部を含むモータの等価回路である。
モータ電流Ｉ_mは、モータトルクに変換され、これと外部トルクＴ_H（人トルク）の和がブロック２１へ供給される。ブロック２４は、振動抑制のためのループである。またブロック２５は、フロントバスケットの揺れトルクＴ_fを推定し、モータ電流指令値に加算する電流値を生成する。回転角速度ω₁は、モータの回転速度センサにより検出し、回転角速度ω₂は、フロントバスケットに取り付けた加速度センサが検出した加速度を積分して求める。加算点２６は、ブロック２４，２５が算出した電流の差をとってモータへ供給する。

図４は、ハンドルの操作トルクのアシスト機能を付加したふらつき防止装置のブロック線図である。
図３のふらつき防止装置は、フロントバスケットの積載質量が変化しない場合のブロック線図であるが、積載質量が変化するとフロントバスケットの慣性モーメント（（２）式の慣性モーメント）が変化するため、図４は、その慣性モーメントを算出するブロックと積載質量の変化に対応する揺れトルクを算出するブロックを付加してある。
加算点３７において回転角速度ω₁，ω₂の差をとり、ブロック３５において（２）式の慣性モーメントＪ₂を算出する。この推定値をＪ_2eとする。ブロック３４は、Ｊ_2eとω₂からバスケットが生成する揺れトルクＴ_fを推定する。このＴ_fの推定値をＴ_feとする。ブロック３６は、揺れトルクＴ_fを補償する電流値を算出する。加算点３０２は、モータトルクと人トルクＴ_Hを加算する。ブロック３１では、モータのトルクを代表するモータ電流Ｉ_m，Ｔ_fe、そしてω₁を使って、人トルクを推定する。同ブロック内部において、ブロック３０１の出力はブロック３０４への入力トルクの推定値である。ブロック３０３の出力は、モータのトルクの推定値である。ブロック３１の出力は人トルクの推定値となる。これをＴ_Heとする。
加算点３２において加算されたトルクは、ブロック３８に供給され、所定のアシストゲインＣ倍されて電流に変換され、モータへ供給される。これにより、人のハンドル操作によるトルク（人トルク）のC倍がモータによってアシストされる。

図５は、フロントバスケットとステアリング軸間のコンプライアンスによって生じ、ステアリング軸へ伝達されるフロントバスケットの振動の伝達抑制作用のシミュレーションの結果を示す。
図５（a）は、フロントバスケットに荷物を積載していないときのシミュレーションの結果を、図５（ｂ）は、フロントバスケットに質量１０ｋｇの荷物を積載しているときのシミュレーションの結果を示す。
図５において、横軸は、時間（ｓ（秒））を、縦軸は、人がハンドルを操作してステアリング軸を回転したときのステアリング角度（ｒａｄ）とフロントバスケット角度（ｒａｄ）を示し、実線は、ステアリング角度を、破線は、フロントバスケット角度を示す。
図５（ａ），（ｂ）は、人が、１．６秒間でステアリング軸を３０度回転させ、１．２秒間その状態を維持し、１．６秒間でステアリング軸を０度にしたときの特性を示す。
シミュレーションの結果、フロントバスケットが無積載時には、ステアリング角度とフロントバスケット角度はともに０度になるから、フロントバスケットは振動していないことが分かる。一方フロントバスケットの積載時には、ステアリング角度はほぼ一定しているのに対して、フロントバスケット角度は周期的に変動しているからフロントバスケットが振動していることが分かる。このことからフロントバスケットは振動していてもステアリング角度はほぼ一定しているから、フロントバスケットの振動は、ステアリング軸に伝達されないことが分かる。

図６は、フロントバスケットに積載する荷物の質量の変化に対する実等価慣性モーメントとフロントバスケットの推定慣性モーメントＪ₂の変化のシミュレーションの結果を示す。
図６において、横軸は、荷物の質量に対する実等価慣性モーメント（ｋｇｍ²）を、縦軸は、推定された慣性モーメント（ｋｇｍ²）を示し、直線は、理論値を、黒丸は、算出値（推定値）を示す。
シミュレーションの結果、推定値は、理論値と一致していることが分かる。

１１ ステアリング軸
１２ ハンドル
１３ フレーム
１５１ フロントバスケット
１６１ モータ
１６２ 制御装置
１７１，１７２ ギヤ

Claims (4)

1. ステアリング軸に積載具を取り付けた車両において、積載具の揺れにより生じてステアリング軸に伝達される揺れトルクを算出し、モータによりその揺れトルクを打ち消すモータトルクを発生してそのモータトルクをステアリング軸に加えて揺れトルクを打ち消すことを特徴とする車両のふらつき防止装置。
2. 請求項１に記載の車両のふらつき防止装置において、前記揺れトルクを調整してステアリング軸に人が加える人トルクを増力する手段を備えていることを特徴とする車両のふらつき防止装置。
3. 請求項２に記載の車両のふらつき防止装置において、前記揺れトルクは、積載具の回転角速度とステアリング軸の回転角速度を用いて積載具の慣性モーメントを算出し、その慣性モーメントを用いて算出し、前記人トルクは、その算出した揺れトルク、モータ電流を用いて算出したトルク及びステアリング軸の回転角速度を用いて算出したトルクを加算して算出することを特徴とする車両のふらつき防止装置。
4. 請求項３に記載の車両のふらつき防止装置において、積載具の回転角速度の検出には積載具に取り付けた加速度センサを用い、ステアリング軸の回転角速度の検出にはモータに取り付けた回転速度センサを用い、モータ電流の検出には電流センサを用いることを特徴とする車両のふらつき防止装置。