JP6052159B2 - 操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、運転者によるステアリングホイールに対しての操舵トルクを補助する操舵装置に関する。

従来、この種の操舵装置、いわゆる電動パワーステアリング装置が知られている。この種の操舵装置においては、運転者のステアリングホイールに対する操舵トルクに基づいて操舵補助トルクを算出する。このため、この操舵装置では、運転者の操舵トルクの正確な値を知る必要がある。例えば、下記の特許文献１には、検出された運転者の操舵トルクを当該操舵トルクの微分値等を利用して補正することで、操舵トルクの検出値から操舵操作時におけるステアリングホイールの慣性の影響を取り除く、という技術が開示されている。尚、下記の特許文献２には、運転者の腕質量情報を取得する腕質量情報取得手段について開示されている。この特許文献２の技術では、その運転者の腕質量情報に応じて、車輪からステアリングホイールに伝わる外力を調整している。

特開平６−１４４２６８号公報 特開２００６−２４０４４３号公報

ところで、上記特許文献１の技術では、検出された操舵トルクからステアリングホイールの慣性の影響を除外することによって、操舵トルクの実際の値を取得しようとしている。しかしながら、その操舵トルクの補正の精度については、まだまだ改善の余地がある。

そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、精度の良い運転者の操舵トルクの情報が取得できる操舵装置を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成する為、本発明は、運転者がステアリングホイールを操舵操作した際の操舵角又は操舵角速度に基づいて操舵角加速度を算出する操舵角加速度算出部と、運転者が前記ステアリングホイールを操舵操作した際の操舵トルクを検出する操舵トルク検出部と、運転者の腕の質量を算出する腕質量算出部と、前記操舵角加速度と前記腕の質量とに基づいて、前記操舵トルクを補正するための補正情報を算出する補正情報算出部と、前記補正情報を用いて前記操舵トルクの補正を行う操舵トルク補正部と、を備えることを特徴としている。

本発明に係る操舵装置は、操舵トルク検出部によって検出された操舵トルクに対して、その操舵トルク検出部よりも運転者側に存在している慣性（操舵操作時におけるステアリングホイールの慣性と操舵操作時における運転者の腕の質量による慣性）に起因しているトルク成分を補正することができる。このため、この操舵装置は、運転者による操舵トルクについて高精度な値を得ることができる。

図１は、本発明に係る操舵装置の構成の一例について示す図である。 図２は、本発明に係る操舵装置の演算処理動作について説明するフローチャートである。 図３は、本発明に係る操舵装置の演算処理動作に関わるタイムチャートである。

以下に、本発明に係る操舵装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

［実施例］
本発明に係る操舵装置の実施例を図１から図３に基づいて説明する。

図１の符号１は、本実施例の操舵装置を示す。この操舵装置１は、運転者によるステアリングホイール（図示略）の操舵操作時に操舵トルクに応じた操舵補助トルクを発生させるもの（いわゆる電動パワーステアリング装置）である。この操舵装置１は、その動作に関わる演算処理を実施する電子制御装置（以下、「操舵ＥＣＵ」という。）１０を備える。

その操舵ＥＣＵ１０には、操舵角検出部２０と操舵トルク検出部３０とが接続されている。

操舵角検出部２０とは、運転者がステアリングホイールを操舵操作した際の操舵角を検出するためのものである。操舵ＥＣＵ１０の操舵角算出部は、その操舵角検出部２０の検出信号に基づいて、運転者によるステアリングホイールの操舵角θを算出する。その操舵角検出部２０としては、ステアリングシャフト（図示略）の回転角度を検出する角度センサ、操舵装置１におけるモータ（図示略）の回転角度を検出する角度センサ、ラック＆ピニオン機構（図示略）のラックストロークを検出するセンサ、ラック＆ピニオン機構のピニオン角を検出する角度センサ、車輪の転舵角を検出する角度センサ等が該当する。その角度センサは、絶対角度を検出するものであってもよく、相対角度を検出するものであってもよい。

操舵トルク検出部３０とは、運転者がステアリングホイールを操舵操作した際の操舵トルクを検出するためのものである。操舵ＥＣＵ１０の操舵トルク算出部は、その操舵トルク検出部３０の検出信号に基づいて操舵トルクを算出する。その操舵トルク検出部３０としては、ステアリングシャフトに作用しているトルクを検出するトルクセンサ等が該当する。

また、操舵ＥＣＵ１０には、図示しないが、車速センサ（車輪速センサ）や電流センサ等の操舵装置１に必要な各種センサも接続されている。

ところで、その操舵トルク検出部３０によって検出された操舵トルク（以下、「検出操舵トルク」という。）Ｔｓｅｎｓｏｒは、操舵操作時におけるステアリングホイールの慣性の影響や、操舵操作時における運転者の腕の質量による慣性の影響を受けた値になっている。つまり、この検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒは、運転者による実際の操舵トルク（以下、「実操舵トルク」という。）Ｔｈｕｍａｎに対して、ステアリングホイールの慣性モーメントＩｓｗに応じたトルクＴｓｗと、運転者の腕の質量による慣性モーメントＩａｒｍに応じたトルクＴａｒｍと、が上乗せされた値になっている。

そこで、操舵ＥＣＵ１０には、検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒを実操舵トルクＴｈｕｍａｎへと補正させる。または、この操舵ＥＣＵ１０には、検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒを実操舵トルクＴｈｕｍａｎに近づけるよう補正させる。

以下の例示では、検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒを補正するための補正情報を算出し、この補正情報で検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒを補正することによって、実操舵トルクＴｈｕｍａｎの算出を行う。

そのために、この操舵ＥＣＵ１０には、検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒを補正するための補正情報を算出する補正情報算出部が設けられている。その補正情報算出部は、ステアリングホイールの慣性の影響を除外するための補正値（以下、「ステアリング慣性補正値」という。）と、運転者の腕の質量による慣性の影響を除外するための補正値（以下、「腕慣性補正値」という。）と、を補正情報として算出する。

ステアリング慣性補正値は、ステアリングホイールの慣性モーメントＩｓｗと操舵角加速度θ”の乗算値として表すことができる（Ｉｓｗ＊θ”）。ステアリングホイールの慣性モーメントＩｓｗについては、計測値又は設計的に求めた値等を予め用意しておけばよい。補正情報算出部は、例えば、その慣性モーメントＩｓｗを記憶部（図示略）等から読み込む。また、その慣性モーメントＩｓｗは、操舵ＥＣＵ１０の慣性モーメント算出部に算出させてもよい。操舵角加速度θ”とは、操舵角θの２回微分値である（＝ｄ^２θ／ｄｔ^２）。操舵ＥＣＵ１０の操舵角加速度算出部は、操舵角算出部の求めた操舵角θに基づいて操舵角加速度θ”の算出を行う。また、操舵角加速度θ”とは、操舵角速度θ’の１回微分値でもある（θ”＝ｄθ’／ｄｔ）。ここで、例えば、ブラシ付き電動パワーステアリング（ＥＰＳ：Electric Power Steering）を有する車両では、操舵角速度検出部を備えており、電流値と電圧値に基づいて操舵角速度θ’を検出することができる。このため、このような車両の操舵角加速度算出部では、検出された操舵角速度θ’に基づいて操舵角加速度θ”を算出させてもよい。尚、操舵角速度θ’とは、操舵角θの１回微分値である（θ’＝ｄθ／ｄｔ）。このため、操舵ＥＣＵ１０の操舵角速度算出部には、操舵角算出部の求めた操舵角θに基づいて操舵角速度θ’を算出させることができる。

一方、腕慣性補正値は、運転者の腕の質量に応じた慣性モーメントＩａｒｍと操舵角加速度θ”の乗算値として表すことができる（Ｉａｒｍ＊θ”）。ここで、運転者の腕の質量に応じた慣性モーメントＩａｒｍについては、例えば次のようにして算出する。

操舵ＥＣＵ１０には、運転者の腕の質量を算出する腕質量算出部が設けられている。腕の質量の情報は、運転者の体格や性別等に対応させたものとして予め用意しておけばよい。例えば、腕質量算出部は、下記の式１を用いて片腕の質量Ｍａｒｍを算出する。

Ｍａｒｍ＝（Ｗ／ｇ）＊（ｒ／１００） … （１）

「Ｗ」は、運転者の体重である。体重Ｗについては、一般的な運転者の平均的な体重を予め設定しておいてもよく、運転席の着座センサ（図示略）等で計測したものであってもよい。「ｇ」は、重力加速度である。「ｒ」は、体重Ｗに対する片腕の重量比である。この重量比ｒは、一般的な運転者の実測値又は経験値等を予め設定しておけばよい。

操舵ＥＣＵ１０の慣性モーメント算出部は、運転者の腕の質量に応じた慣性モーメントＩａｒｍについての算出も行う。この慣性モーメント算出部は、下記の式２を用いて慣性モーメントＩａｒｍを算出する。この式２は、運転者が両手でステアリングホイールの円周部分を握っている場合の演算式である。この式２の「Ｄｓｗ」は、ステアリングホイールの直径である。

Ｉａｒｍ＝（Ｄｓｗ／２）＊Ｍａｒｍ＊２ … （２）

補正情報算出部は、その慣性モーメントＩａｒｍを用いて腕慣性補正値（Ｉａｒｍ＊θ”）の算出を行う。

操舵ＥＣＵ１０には、ステアリング慣性補正値（Ｉｓｗ＊θ”）と腕慣性補正値（Ｉａｒｍ＊θ”）とを用いて検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒの補正を行う操舵トルク補正部が設けられている。前述したように、この操舵トルク補正部は、検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒを補正することによって実操舵トルクＴｈｕｍａｎを求める。操舵トルク補正部は、この検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒの補正に下記の式３を用いる。

Ｔｈｕｍａｎ＝Ｔｓｅｎｓｏｒ＋Ｉｓｗ＊θ”＋Ｉａｒｍ＊θ” … （３）

以下に、この操舵ＥＣＵ１０における検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒの補正に関わる演算処理動作について、図２のフローチャートに基づき説明する。尚、図３では、操舵角θ、操舵角速度θ’、操舵角加速度θ”、検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒ、ステアリングホイールの慣性モーメントＩｓｗに応じたトルクＴｓｗ、運転者の腕の質量による慣性モーメントＩａｒｍに応じたトルクＴａｒｍ、その２つのトルクＴｓｗとトルクＴａｒｍの合計値、検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒの補正値（実操舵トルクＴｈｕｍａｎ）に関してのタイムチャートを表している。

操舵ＥＣＵ１０の腕質量算出部は、前述したようにして、運転席に着座している運転者の腕の質量を算出する（ステップＳＴ１）。この演算処理は、例えば、運転者が運転席に着座した際に実施する。

操舵ＥＣＵ１０は、運転者が操舵操作を行った際に、操舵角検出部２０と操舵トルク検出部３０とからそれぞれに検出信号を受信する。よって、この操舵ＥＣＵ１０は、操舵角算出部が操舵角θを算出し、かつ、操舵トルク算出部が検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒを算出することで、これらの情報を検出する（ステップＳＴ２）。

操舵ＥＣＵ１０の補正情報算出部は、ステアリング慣性補正値（Ｉｓｗ＊θ”）と腕慣性補正値（Ｉａｒｍ＊θ”）を算出する（ステップＳＴ３）。補正情報算出部は、ステアリングホイールの慣性モーメントＩｓｗと操舵角加速度θ”との乗算値を算出することによって、ステアリング慣性補正値（Ｉｓｗ＊θ”）を求める。また、この補正情報算出部は、運転者の腕の質量に応じた慣性モーメントＩａｒｍと操舵角加速度θ”との乗算値を算出することによって、腕慣性補正値（Ｉａｒｍ＊θ”）を求める。

操舵ＥＣＵ１０の操舵トルク補正部は、そのステアリング慣性補正値（Ｉｓｗ＊θ”）と腕慣性補正値（Ｉａｒｍ＊θ”）とで検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒを補正する（ステップＳＴ４）。ここでは、その検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒの補正値が実操舵トルクＴｈｕｍａｎとして算出される。

以上示したように、本実施例の操舵装置１は、操舵トルク検出部３０によって検出された検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒに対して、その操舵トルク検出部３０よりも運転者側に存在している慣性（操舵操作時におけるステアリングホイールの慣性と操舵操作時における運転者の腕の質量による慣性）に起因しているトルク成分（トルクＴｓｗとトルクＴａｒｍ）を補正することによって、実操舵トルクＴｈｕｍａｎを得ることができる。つまり、この操舵装置１は、操舵操作時における運転者の意思といえる実操舵トルクＴｈｕｍａｎを精度良く検出することができる。従って、この操舵装置１においては、どのような運転者がどのような操舵操作を行おうとも、その実操舵トルクＴｈｕｍａｎに基づいて操舵補助トルクの出力制御等の各種の制御を実施することができる。よって、この操舵装置１は、その制御の実施の効果をこれまで以上に発揮することができる。

ところで、この例示では補正情報算出部の算出した補正情報を用いて操舵トルク補正部が検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒの補正を行っているが、操舵トルク補正部は、その補正情報に関わる慣性モーメントＩｓｗ等のパラメータ（検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒを補正するためのパラメータ）の算出や読み込みを行い、このパラメータを上記の式３に代入することによって、検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒの補正を行ってもよい。

また、慣性モーメント算出部には、車両の線形二輪モデルの運動方程式とステアリングホイールの運動方程式とに基づいて、運転者の腕の質量に応じた慣性モーメントＩａｒｍを算出させてもよい。その運動方程式には、詳細な式、簡略化した式等、様々なものが考えられる。その一例を以下に示す。

この一例では、そのそれぞれの運動方程式に基づいて、入力（操舵トルク）に対する出力（例えば車体のヨーレート）を算出する。ステアリングホイールの運動方程式においては、運転者の腕の質量に応じた慣性モーメントＩａｒｍのみを未知数とする。そして、慣性モーメント算出部は、その算出した出力が実際の出力に近くなる（例えば運動方程式から求めたヨーレートが実際のヨーレートに近くなる）慣性モーメントＩａｒｍを求める。下記の式４は、車両の並進運動の運動方程式である。下記の式５は、車両のヨー運動の運動方程式である。下記の式６は、ステアリングホイールの運動方程式である。

ｅｑ１＝Ｆｆ＋Ｆｒ＝ｍ＊Ｖ＊（ｂｅｔａ＊ｓ＋ＹＲ） … （４）
ｅｑ２＝Ｌｆ＊Ｆｆ−Ｌｒ＊Ｆｒ＝Ｉｚ＊ＹＲ＊ｓ … （５）
ｅｑ３＝（Ｉｓｗ＋Ｉａｒｍ）＊ＳＷＡ＊ｓ^２＋Ｃｓ＊ＳＷＡ＊ｓ＋Ｆｆ＊Ｘｉ／Ｎ
＝Ｔｄｓｗ … （６）

式４，５の「Ｆｆ」と「Ｆｒ」は、前輪のタイヤ横力と後輪のタイヤ横力であり、下記の式７，８で表される。

Ｆｆ＝Ｋｆ＊（ｄｅｌｔａ／Ｎ−ｂｅｔａ−Ｌｆ＊ＹＲ／Ｖ） … （７）
Ｆｒ＝Ｋｒ＊（Ｌｒ＊ＹＲ／Ｖ−ｂｅｔａ） … （８）

この各式における「Ｋｆ」と「Ｋｒ」は、前輪のコーナリングフォースと後輪のコーナリングフォースであり、下記の式９，１０で表される。「Ｌｆ」は、前輪軸から車両の重心位置までの距離であり、下記の式１１で表される。「Ｌｒ」は、車両の重心位置から後輪軸までの距離であり、下記の式１２で表される。「ｄｅｌｔａ」は、車輪の実際の転舵角である。「Ｎ」は、オーバオールステアリングギヤ比である。「ｂｅｔａ」は、車体スリップ角である。「ＹＲ」は、ヨーレートである。「Ｖ」は、車体速度である。

Ｋｆ＝Ｃｆ＊ｍ＊Ｄｗｆ＊ｇ … （９）
Ｋｒ＝Ｃｒ＊ｍ＊（１−Ｄｗｆ）＊ｇ … （１０）

この各式における「Ｃｆ」と「Ｃｒ」は、前輪の正規化コーナリングパワーと後輪の正規化コーナリングパワーである。「ｍ」は、車両質量である。「Ｄｗｆ」は、車両前側の重量配分であり、下記の式１３で表される。

Ｌｆ＝Ｌ＊（１−Ｄｗｆ） … （１１）
Ｌｒ＝Ｌ＊Ｄｗｆ … （１２）

この各式における「Ｌ」は、ホイールベースである。

Ｄｗｆ＝Ｗｆ／（Ｗｆ＋Ｗｒ） … （１３）

この式における「Ｗｆ」と「Ｗｒ」は、車両の前軸荷重と後軸荷重である。

式５の「Ｉｚ」は、車両ヨー慣性モーメントであり、下記の式１４で表される。

Ｉｚ＝Ｉｚｎ＊ｍ＊Ｌｆ＊Ｌｒ … （１４）

この式における「Ｉｚｎ」は、正規化車両ヨー慣性モーメントである。

式５，６の「ｓ」は、ラプラス演算子である。式６の「ＳＷＡ」は、操舵角θのことである。式６の「Ｘｉ」は、トレイルである。式６の「Ｔｄｓｗ」は、操舵トルクである。

慣性モーメント算出部は、上記の運動方程式に基づいて、「ＳＷＡ／Ｔｄｓｗ」と「ＹＲ／Ｔｄｓｗ」と「ＬＡ／Ｔｄｓｗ」の内の何れか１つの伝達関数を求める。尚、「ＬＡ」とは、車体横加速度のことである。そして、慣性モーメント算出部は、操舵トルクＴｄｓｗ（＝検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒ）を計測する。また、この慣性モーメント算出部は、「ＳＷＡ／Ｔｄｓｗ」を求めたならば操舵角ＳＷＡ（操舵角θ）を計測し、「ＹＲ／Ｔｄｓｗ」を求めたならばヨーレートＹＲを計測し、「ＬＡ／Ｔｄｓｗ」を求めたならば車体横加速度ＬＡを計測する。

慣性モーメント算出部は、運転者の腕の質量に応じた慣性モーメントＩａｒｍのみが未知数なので、出力の算出値と実測値とを同定する。例えば、パラメータをふって、出力が近くなる値を見つける。具体的には、その伝達関数に操舵トルクＴｄｓｗを乗算し、この乗算値と実測値との差分を求め、この差分が０になる又は小さくなる慣性モーメントＩａｒｍを見つける。伝達関数（ＳＷＡ／Ｔｄｓｗ）の場合には、これに操舵トルクＴｄｓｗを乗算して操舵角ＳＷＡを求め、この操舵角ＳＷＡの算出値と実測値との差分が０になる又は小さくなる慣性モーメントＩａｒｍを見つける。補正情報算出部又は操舵トルク補正部は、その算出した慣性モーメントＩａｒｍを用いて腕慣性補正値（Ｉａｒｍ＊θ”）の算出又は検出操舵トルクＴｓｅｎｓｏｒの補正を行う。

１ 操舵装置
１０ 操舵ＥＣＵ
２０ 操舵角検出部
３０ 操舵トルク検出部

Claims (1)

1. 運転者がステアリングホイールを操舵操作した際の操舵角又は操舵角速度に基づいて操舵角加速度を算出する操舵角加速度算出部と、
   運転者が前記ステアリングホイールを操舵操作した際の操舵トルクを検出する操舵トルク検出部と、
   運転者の腕の質量を算出する腕質量算出部と、
   前記操舵角加速度と前記腕の質量とに基づいて、前記操舵トルクを補正するための補正情報を算出する補正情報算出部と、
   前記補正情報を用いて前記操舵トルクの補正を行う操舵トルク補正部と、
   を備えることを特徴とした操舵装置。

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