JP6187955B1 - 車両操舵装置及び自動運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動運転車両の操舵装置には当然、制御系の二系統化などの信頼性設計がされる。安全に停止する技術が求められる。路肩に寄せて止めようとするも、寄せる間もなく車線上で止まらざるを得ない場面、カント路上で停止せざるを得ない場面が想定される。操舵系の制御が断たれても車線からはみ出すことなく停止できる技術を実現する。【解決手段】「重力×カント余角」成分であるカント横力と、「曲率×車速の二乗」成分である旋回横力に反応して動く質量部を設けた油圧弁を用いて、ハンドルフリー状態でカント横力と旋回横力のつり合い変化に対応するあて舵をする油圧補償機能を有する操舵倍力油圧操舵装置。【選択図】図１

Description

本発明は、道路横断勾配と横加速度に反応して進路を維持する油圧装置を付加した油圧倍力式の車両操舵装置とこの車両操舵装置を用いた自動運転方法に関する。

国立研究開発法人新エネルギー産業技術開発機構（ＮＥＤＯ:New Energy Industrial Technology）のエネルギーＩＴＳプロジェクトが２００８年から２０１３年まで人が運転する先頭車両に自動運転車両が追随する隊列走行の研究開発が推進された。その実用化に向けて、内閣府が主導する「戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）」において、次世代公共交通システムの実用化の開発が推進されている。

実路にはカントがあり、曲線がある。実路を走行する車両には「重力×カント余角」成分であるカント横力が作用し、「曲率×車速の二乗」成分である旋回横力が作用する。ハンドル操作をしないと、車両はカントを下り車線を外れてしまうので車線維持のためのあて舵が必要になる。曲線ではカント横力と旋回横力のつり合いから、カントを上がり或いは下るので、それに応じたあて舵が車線維持のため必要になる。自動運転車両の操舵は道路の曲線を辿る、車線を変更する、進路を変更する、障害を回避するなどの制御に加えてカント横力と旋回横力のつり合い変化に対応するあて舵の制御が必要になる。

自動運転車両の操舵装置には当然、制御系の二系統化などの信頼性設計がされ、安全に停止する技術が求められる。路肩に寄せて止めようにも止めるスペースがなく、或いは、路肩に寄せるも待てずに、車線上で止まらざるを得ない場面、カント路上で停止せざるを得ない場面が想定される。操舵装置の手動運転装置部分は永年の実績に裏打ちされた信頼性が備わっている。そこに付加される自動操舵装置の信頼性設計の根底に故障安全設計が望まれる。

手動運転装置に操舵モータと制御ＥＣＵおよび状態認識のためのセンサ類が付加されて自動操舵装置になる。制御系の出力端での故障モードは、「モータの作動不能」と「モータの作動異常」のいずれかになる。いずれのモードとも制御を止めざるを得ない。

制御をとめたとき、ハンドルフリーであるべきか、ハンドルロックであるべきか。ハンドルフリーの場合、車両は、後述する前輪整列（フロントアライメント）効果によって水平路面であれば舵が中立に戻りつつ直進方向に流れ、傾斜路面であれば傾斜下方に流れる。ハンドルロックの場合、そのときの舵角の方向に向かう。

操舵系異常では路肩に寄せることがままならない。車線からはみ出したのでは不意な割り込み走行同然で危険である。機械系のみで車線からはみ出すことなく停止できる技術が最低限必要になる。制御をとめれば、操舵モータの電源も断たれるので操舵モータはフリーになり、ハンドルもフリーになる。そこで、機械系のみで車線からはみ出すことなく停止できることが望まれる。

ハンドルロックの方を選択したのでは、そのときの舵角の方向に向かう以外にないので、車線逸脱防止の最低限の必要も満たせなくなる。

特許文献１には自動運転装置が開示されている。この自動運転装置は、本体から突出したアームと、車輪を操舵する操舵機構とを備え、アームが車体（自動運転装置）の近傍に配置された障害物に接触した場合に、自動運転装置が障害物から遠ざかる方向に車輪を操舵することで、案内レールや保護軌道を設けることなく、障害物を避けて自動運転を行うことが可能な内容が開示されている。

非特許文献１には、カント角（ζ）と、道路曲率（ρ）と車速（ν）と重力加速度（ｇ）によって決まる旋回横加速度（ρν²/ｇ）との差をとった相対カント角（ζ’）を、ζ’＝ζ−ρν²/ｇと定義し、それを用いてカント路での車両挙動を解析して、車両挙動を表現する数学モデルが開示されている。
また非特許文献２には、ハンドルフリー制動でカントを下る状況の計算解析が開示されている。

特開２０１６−１１８９０７号公報

「路面カントおよび曲率を考慮した自動運転トラックの横運動モデル」籾山冨士男ほか，自動車技術会論文集Vol.44,No.2,March2013,No.2013 4207, p.473478. 「自動運転トラックのカント路車線維持解析とモデリング」 籾山冨士男ほか、自動車技術論文集，Vol.45, No.6, November 2014, No.20144800, p.1027-1034.

特許文献１は車体から突出したアームと車輪を操舵する操舵機構を備え、そのアームが障害物に接触した場合に障害物から遠ざかる方向に実舵変化が生じるもので、車線逸脱防止に機能するものではない。

非特許文献１は、カント路での車両挙動を解析して、車両挙動を表現する数学モデルを示しているが車線からはみ出すことなく停止する対処には言及していない。

非特許文献２は、ハンドルフリー制動でカントを下る状況の計算解析は実施しているも車線からはみ出すことなく停止する対処には言及していない。

本発明の課題は、操舵系の制御を断ち緊急停止する状況において、油圧倍力装置のみで、車線逸脱せずに停止できる装置を実現することである。

上記の課題を達成するため、本発明は、パワーステアリングによって変化する実舵角に対して、相対カント角を検出してカントのために生じる実舵角変化が補正バルブを設けることによって抑制されるようにした。
因みに、パワーステアリングは、オイルポンプとコントロールバルブとパワーステアリングギヤによって構成され、人によるハンドル操作がコントロールバルブに作用してパワーシリンダの左右圧が変わり、実舵角が変化する。

本発明によれば、補正弁によってカントのために生じる実舵角変化を抑制する補正油圧が生じて油圧倍力装置のみでの車線逸脱防止が可能になる。

（ａ）は車両操舵装置の説明図、（ｂ）はパワーステアリング装置の詳細図である。 相対カントの説明とその検出原理の説明図である。 相対カント補償パワーステアリングギヤの説明図である。 別付シリンダ式相対カント補償パワーステアリングの説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は相対カント検出バルブのバリエーションの説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜５に基づいて説明する。
図１（ａ）は、一般的な車両操舵装置の説明図である。図の上部に操舵装置（ステアリングホイール）１、下部に前車軸２、２そして図１（ｂ）にパワーステアリング装置３の詳細を示す。

パワーステアリング装置３は、ステアリングホィール１を操舵するとステアリングシャフト４からインプットシャフト５、コントロールバルブ６、トーションバー７を介してウォームシャフト８が回転する。ウォームシャフト８の回転はボールねじ９を介してパワーピストン１０を上下動させる。

パワーピストン１０の上下動はギヤを介してセクターギヤ１１を回転させる。セクターギヤ１１の回転はピットマンアーム１２、ドラッグリンク１３、ナックルアーム１４を介してキングピン周りに前車輪２の実舵変化を生じさせる（前輪タイヤが切れる）。

前車輪はタイロッドアーム１５、タイロッド１６を介して左右輪連結しているので左右輪共に実舵変化する。インプットシャフト５からトーションバー１６を介してウォームシャフト８に伝達されるトルクによってトーションバー７が捩れる。このトーションバー７の捩れが操舵入力のセンサ機能を果たし油圧による操舵倍力装置が作動する。

即ち、この捩れのためコントロールバルブ６のロータ側とスリーブ側との回転角度差が生じる。この角度差によって油圧倍力機構が作用して、角度差に応じた油圧がパワーピルトン１０を上下動させる。この様に、ステアリングホィールに加えられたマニュアルトルクに油圧トルクが加わって実舵トルクになる。

自動運転車両にあっては、ステアリングシャフト４にピニオンギヤ１７等を介して自動運転操舵モータ１８が装備される。このモータは自動運転ＥＣＵによる制御が加えられる。自動運転操舵モータ１８は、ステアリングシャフト４に対し並列配置でも良いし、直角配置でも良いし、同軸配置でも良い。配置方式によってピニオンギヤはウォームギヤでもプラネタリギヤでも良い。

車軸には、一般に、トーイン、キャンバー、キャスター、キングピン傾角の作用によって車輪整列（ホィールアライメント）を整える設計がされている。この作用は、重力の作用を利用して前輪を中立に戻す復元トルクを生むものである。これは重力を利用しているので、道路の横断勾配（カント）によって効果が変わる。カントを下る方向に実舵変化が生じる。

図２は、相対カントの説明とその検出原理の説明図である。カント角が（ζ）、曲率（ρ）の旋回路を左旋回するトラックの写真を示している。この曲率（ρ）に車速の二乗を乗じた値（ρν²）が横加速であり、それを重力の加速度（ｇ）で除するとカント角相当のデメンションになる。実際のカント角から横加速度のカント角相当値を差し引いた値が、前出の数式 ζ’＝ζ−ρν²/ｇ で記述される相対カント角になる。

車両には相対カント角に車両質量を乗じた横力が作用する。相対カントがゼロになる車速があり、それ未満の速度では車両はカントを下り、それを超える速度ではカントを上る。その上り下りを押さえるために当て舵が必要になる。

自動運転車両の操舵装置には当然、制御系の二系統化などの信頼性設計がされ、安全に停止する技術が求められる。路肩に寄せて止めようにも止めるスペースがなく、或いは、路肩に寄せるも待てずに、車線上で止まらざるを得ない場面、カント路上で停止せざるを得ない場面が想定される。

その場面は、操舵モータがフリーになる。ハンドルフリーで制動がかかり車速が低下する。車速が低下するとカント横力が増しカント下方へ向かう実舵変化が生じる。本発明では、その実舵変化を押さえるようにしている。

図３は相対カント補償パワーステアリングギヤの説明図である。
本発明にあっては、通常のパワーステアリング装置３に“相対カント補償油圧弁”１９、分流弁２０、シャトル弁２１を付加している。図の中央に“相対カント補償油圧弁”１９、右上にパワーステアリング装置３、左上にコントロールバルブ６断面、左下にオイルポンプ２２とリザーバ２３と分流弁２０を示す。

分流弁２０はオイルポンプ２２の吐出量をＱ_CとＱ_Sに分流させる。パワーステアリング装置３の左室ポートＣＬと右室ポートＣＲポートにシャトル弁２１を介して一方をコントロールバルブ６に、他方を相対カント補償油圧弁１９に配管する。この相対カント補償油圧弁１９の中心軸が車両前部付近に“左右向”に取り付ける。

オイルポンプから吐出されるオイルは分流弁２０に入りＱ_CとＱ_Sに分流されて、Ｑ_Cはコントロールバルブ６へ、Ｑ_Sは相対カント補償油圧弁１９へ向かう。オイル流量はＱ_C＞Ｑ_S、且つＱ_Cはステアリングホィールの操作速度１．５回転／秒を満たす。Ｑ_Sは、０．４回転/秒以上を確保する。

オイルＱ_Cは、コントロールバルブ６にて左或いは右へ方向制御されてシャトル弁２１を経由してパワーシリンダの左室或いは右室に流入してパワーピストン１０を押してセクタシャフト１１周りに油圧倍力トルクを発生させる。左室に流入の場合は右室の、右室に流入の場合は左室のオイルは追い出されてコントロールバルブ６を経由してオイルリザーバ２３へ戻る。

オイルＱ₃は、相対カント補償油圧弁に向かいスプール弁を経由してシャトル弁２１に至り、コントロールバルブ６を経由してシャトル弁２１に至るオイルＱｃと遭遇する。そこでＱｓ油圧がＱｃ油圧より高ければシャトル弁を通過してパワーシリンダ室に入り相対カントによるパワーピストンの移動を抑制する。Ｑｃ油圧より低い場合はパワーシリンダには向かわず相対カント補償弁のＯＵＴポートを通りオイルリザーバ２３へ戻る。

スプール弁は常時開型である。スプール弁自体の質量に相対カントが作用して、相対カントの増加を抑制する側のオイルポートが開きオイルＱｃがパワーシリンダの油圧室に入り相対カントによる実舵増加を押さえるべくパワーピストンの動きを抑える。これにより、道路のカント（横断勾配）による重力効果と車両横加速度による慣性効果による実舵角変化が相殺される。

通常の作動はオイルＱｃによって作動している。この状態でのシャトル弁はＣ側が開き、Ｓ側は閉じている。自動制御が停止せざるを得ない状況が生じて、操舵モータ入力がなくなりハンドルフリーになると、Ｑｓ油圧が勝り、相対カントに応じた圧油がパワーシリンダに入り実舵の変化を押さえ、車両の車線逸脱を抑制する。その間に非常制動が作動して車線内に停止する。

図４は別付シリンダ式相対カント補償パワーステアリングの説明図である。ピットマンアーム部に別付シリンダを取付け、それに相対カント補正圧を作用させて車両の車線逸脱を抑制する。

別付シリンダ２４は一端をピットマンアーム１２に他端を車体フレームに取付けられ、相対カント補償油圧弁１９を介して作動油が給排される。具体的には、道路のカント（横断勾配）による重力効果と車両横加速度による慣性効果による実舵角変化を算出し、算出した実舵角変化を相殺するのに相当する力を別付シリンダ２４を伸縮させることでピットマンアーム１２に与え、前記別付シリンダ２４を伸縮させるだけの作動油を相対カント補償油圧弁１９の開度を変化させる。このようにすることで、ハンドルフリー状態でカントを有する車線からの車両の逸脱を抑制す阻止できる。

図５（ａ）〜（ｃ）は相対カント補償油圧弁のバリエーションの説明図である。（ａ）は図３、図４と同じ複動式を示し、（ｂ）及び（ｃ）に回転式（ロータ式）を示す。複動式は相対カントが質量部に作用してスプールバルブの軸スライドが生じてバルブ開度が変わりオイルＱｓの流れが制御される。回転式は相対カントが回転質量部に作用してロータリーバルブのバルブ開度が変わりオイルＱｓの流れが制御される。

この発明の肝要は、相対カントの低い方へ摺動ないし回転する質量によって補正油圧をパワーシリンダ内へ流入させることによって実舵の変化を抑制しておいて、その間に制動して車線逸脱することなく停車するところである。この装置をパワーステアリングに組み付けたシステムである。図３、図４共にステアリング装置と油圧倍力装置を一体構造にしたパワーステアリングギヤ（インテクラル型パワーステアリングとも称される）の場合について示しているが、ステアリング装置と倍力装置が一体になっていないリンケージ型パワーステアリングやラックアンドピニオン型パワーステアリングの場合にも図３図４に準じた場合も含まれる。

１…ステアリングホイール、２…前車軸、３…パワーステアリング装置、４…ステアリングシャフト、５…インプットシャフト、６…コントロールバルブ、７…トーションバー、８…ウォームシャフト、９…ボールねじ、１０…パワーピストン、１１…セクターギヤ、１２…ピットマンアーム、１３…ドラッグリンク、１４…ナックルアーム、１５…タイロッドアーム、１６…タイロッド、１７…ピニオンギヤ、１８…自動運転操舵モータ、１９…相対カント補償油圧弁、２０…分流弁、２１…シャトル弁、２２…オイルポンプ、２３…リザーバ、２４…別付シリンダ。

Claims (2)

1. パワーステアリング装置（油圧倍力装置）を備えた車両操舵装置であって、前記パワーステアリング装置はパワーシリンダ内に形成された油室にオイルを送り込むオイルポンプ、前記オイルの流れ方向を変更するコントロールバルブ及び自動運転用の操舵モータによって回転せしめられるパワーステアリングギヤの他に相対カント補償油圧弁を備え、道路のカント（横断勾配）による重力効果と車両横加速度による慣性効果による実舵角変化を算出し、この実舵角変化を相殺するのに相当する量だけ前記相対カント補償油圧弁の開度を変化させ、ハンドルフリー状態でカントを有する車線からの車両の逸脱を抑制することを特徴とする車両操舵装置。
2. 請求項１に記載の車両操舵装置を搭載した車両の操向制御を前記操舵モータを駆動して行う自動運転方法において、緊急停止する際には前記操舵モータ制御を止めることを特徴とする自動運転方法。