JP6230487B2 - ステアバイワイア車両の操舵装置およびステアバイワイア車両の操舵制御方法 - Google Patents

ステアバイワイア車両の操舵装置およびステアバイワイア車両の操舵制御方法 Download PDF

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本発明は、ステアリングとタイヤの機械的な連結がないステアバイワイア式の車両の転舵制御に適したステアバイワイア車両の操舵装置およびステアバイワイア車両の操舵制御方法に関するものである。
ステアバイワイア車両の転舵角制御においては、2自由度制御を用いて、車速が所定値以下のときに、フィードバックの定常ゲインを有限値に設定する方式が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−225355号公報
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献1に記載の車両用操舵制御装置では、縁石への接触等の外乱は、考慮されている。しかしながら、タイヤを転舵することにより発生する路面からの反力は、考慮されておらず、常に路面反力分の誤差が発生する。このため、目標転舵角に対する応答性が低下してしまうおそれがあった。
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、路面反力分の誤差に起因して目標転舵角に対する応答性が低下することを抑制することのできるステアバイワイア車両の操舵装置およびステアバイワイア車両の操舵制御方法を得ることを目的とする。
本発明に係る操舵装置は、ハンドルとタイヤとが機械的に切り離されているステアバイワイア車両の操舵装置であって、タイヤの転舵角の測定値を含む状態量を、タイヤの転舵状態量として検出する転舵状態量検出部と、与えられた目標転舵角に従って転舵アクチュエータによりタイヤを転舵したならば得られるタイヤの転舵角および転舵角加速度を転舵応答量として推定する転舵応答推定部と、転舵状態量検出部により検出された転舵状態量と、転舵応答推定部により推定された転舵応答量とに基づいて、目標転舵角に応じてタイヤを転舵制御するための転舵アクチュエータの指令値を演算する指令値演算部と、前回の制御サイクルにおいて転舵応答推定部により推定された転舵角に基づいて、タイヤに発生する路面反力を推定し、今回の制御サイクルで使用する路面反力推定値として転舵応答推定部に対して出力する路面反力推定部とを備え、転舵応答推定部は、今回の制御サイクルにおいて、与えられた目標転舵角、前回の制御サイクルで推定された転舵角、および路面反力推定部から取得した路面反力推定値に基づいて、転舵応答量を推定するものである。
また、本発明に係るステアバイワイア車両の操舵制御方法は、ハンドルとタイヤとが機械的に切り離されているステアバイワイア車両の操舵制御を実行する制御ユニットを備えた操舵装置に適用されるステアバイワイア車両の操舵制御方法であって、制御ユニットにおいて、タイヤの転舵角の測定値を含む状態量を、転舵状態量検出部を介してタイヤの転舵状態量として取得する転舵状態量検出ステップと、与えられた目標転舵角に従って転舵アクチュエータによりタイヤを転舵したならば得られるタイヤの転舵角および転舵角加速度を転舵応答量として推定する転舵応答推定ステップと、転舵状態量検出ステップにより検出された転舵状態量と、転舵応答推定ステップにより推定された転舵応答量とに基づいて、目標転舵角に応じてタイヤを転舵制御するための転舵アクチュエータの指令値を演算する指令値演算ステップと、前回の制御サイクルにおいて転舵応答推定ステップにより推定された転舵角に基づいて、タイヤに発生する路面反力を推定し、今回の制御サイクルで使用する路面反力推定値を算出する路面反力推定ステップとを備え、転舵応答推定ステップは、今回の制御サイクルにおいて、与えられた目標転舵角、前回の制御サイクルで推定された転舵角および路面反力推定ステップから取得した路面反力推定値に基づいて、転舵応答量を推定するものである。
本発明によれば、転舵応答量の推定値に基づいて路面反力を推定し、転舵用アクチュエータへの指令トルクを演算することにより、目標転舵角に対する実転舵角の応答性を高めることが可能となる。この結果、路面反力分の誤差に起因して目標転舵角に対する応答性が低下することを抑制することのできるステアバイワイア車両の操舵装置およびステアバイワイア車両の操舵制御方法を得ることができる。
本発明の実施の形態1によるハンドルとタイヤとが機械的に切り離されているステアバイワイア車両の操舵装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態1に係る転舵応答推定部および路面反力推定部における一連動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態1に係る指令値演算部における一連動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態2によるハンドルとタイヤとが機械的に切り離されているステアバイワイア車両の操舵装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態2に係る転舵応答推定部および路面反力推定部における一連動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態2に係る指令値演算部における一連動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態2において、車速に応じて変化する比例ゲインの特性を示した説明図である。
以下、本発明のステアバイワイア車両の操舵装置およびステアバイワイア車両の操舵制御方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
本発明は、前回の制御サイクルにおいて推定された転舵応答量の推定値に基づいて路面反力を推定し、このようにして推定された路面反力を活用して今回の制御サイクルにおいて推定した転舵応答量を用いて、操舵トルク指令値を算出する構成を備えたことを技術的特徴としている。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1によるハンドルとタイヤとが機械的に切り離されているステアバイワイア車両の操舵装置を示す構成図である。図1において、転舵アクチュエータとしての転舵用モータ1は、コラム軸とラック軸からなる転舵機構部2と連結されており、制御ユニット10からの指令値により駆動される。転舵機構部2には、左右一対のタイヤ3が設けられている。
転舵用モータ1には、モータ回転角度に応じた信号を発生する角度センサ(転舵状態量検出部4に相当)が設けられており、制御ユニット10は、この角度センサの検出値に基づいて、ギア比等を考慮して、タイヤの転舵角を検出する。この例では、角度センサとしてレゾルバが用いられている。なお、転舵状態量検出部4としては、例えば、エンコーダ等を用いてもよいし、転舵角が分かる代替手段として、ラック軸の移動量を検出してもよい。
図1に示した本実施の形態1における制御ユニット10は、転舵応答推定部11、路面反力推定部12、および指令値演算部13を含んで構成されている。
転舵応答推定部11は、図示しない目標転舵角生成部により生成された目標転舵角δに対して制御を行った場合の制御応答を推定する。具体的には、転舵応答推定部11は、目標転舵角δに対する制御応答として、タイヤの転舵角δaおよび転舵角加速度αaを推定する。この転舵角δaおよび転舵角加速度αaが転舵応答量に相当する。なお、この転舵応答量としては、上述のように、目標転舵角δに対する回転に関する応答が分かればよく、例えば、ラック軸の移動量を推定してもよい。
路面反力推定部12は、タイヤの転舵角に応じて発生する路面反力Trを推定する。具体的には、制御ユニット10における前回の制御サイクルで推定された転舵角δaに基づいて、発生する路面反力Trを演算し、演算結果を転舵応答推定部11に対して出力する。
指令値演算部13は、転舵応答推定部11により推定された転舵角δaと、転舵状態量検出部4により検出されたタイヤの実転舵角δとに基づき、転舵用モータ1への指令値としての指令トルクτを演算する。
次に、フローチャートを用いて、本実施の形態1における転舵応答推定部11および路面反力推定部12の一連動作について説明する。図2は、本発明の実施の形態1に係る転舵応答推定部11および路面反力推定部12における一連動作を示すフローチャートである。
まず始めに、ステップS100において、路面反力推定部12は、制御ユニット10による前回の制御サイクルにおいて転舵応答推定部11で推定された推定転舵角δaを読み出す。
次に、ステップS101において、路面反力推定部12は、先のステップS100で読み出した前回の制御サイクルにおける推定転舵角δaに基づいて、路面反力Trを推定する。具体的には、路面反力推定部12は、前回の制御サイクルで推定した転舵角δaに対して、あらかじめ定められた比例ゲインKalignを乗じて、路面反力の推定値Trを算出する。
次に、ステップS102において、転舵応答推定部11は、目標転舵角δと前回の制御サイクルで推定した転舵角δaとの偏差dδaを演算する。そして、ステップS103において、転舵応答推定部11は、転舵応答量のうちの転舵角加速度αaを推定する。
具体的には、転舵応答推定部11は、偏差dδaに対して、あらかじめ定められた比例ゲインGaを乗じて、目標転舵トルクτを算出する。そして、転舵応答推定部11は、算出した目標転舵トルクτと、路面反力推定部12で算出された路面反力の推定値Trとの差分を、転舵系の回転慣性モーメントJで除し、転舵角加速度αaを推定演算する。
次に、ステップS104において、転舵応答推定部11は、先のステップS103における演算結果である転舵角加速度αaを二回積分することにより、転舵角δaを推定する。
次に、フローチャートを用いて、本実施の形態1における指令値演算部13の一連動作について説明する。図3は、本発明の実施の形態1に係る指令値演算部13における一連動作を示すフローチャートである。
まず始めに、ステップS200において、指令値演算部13は、転舵応答推定部11により推定された転舵角δaと、角度センサにより検出された実転舵角δとの偏差dδを演算する。
次に、ステップS201において、指令値演算部13は、dδに対して、あらかじめ定められた比例ゲインGbを乗じて、転舵角加速度補正量αbを演算する。
次に、ステップS202において、指令値演算部13は、転舵応答推定部11により転舵応答量として推定された転舵角加速度αaと、演算結果である転舵角加速度補正量αbとを加算し、目標転舵角加速度αを算出する。さらに、指令値演算部13は、算出した目標転舵角加速度αに対して回転慣性モーメントJを乗じて、転舵用モータ1への指令トルクτを演算する。
このようにして、制御ユニット10は、図2および図3に示した一連処理を実行することで算出した指令トルクτに基づいて、転舵用モータ1を制御することで、所望の転舵角δを実現することが可能となる。
上述した処理を整理すると、本実施の形態1における制御ユニット10は、以下の処理を実行することとなる。
(1)路面反力推定部12は、前回の制御サイクルで転舵応答推定部11により推定された転舵角δaを用いて、路面反力Trを推定する。
(2)転舵応答推定部11は、路面反力推定部12によって推定された路面反力Trを用いて、今回の制御サイクルにおける転舵応答量として、転舵角δaおよび転舵角加速度αaを推定する。
(3)指令値演算部13は、転舵応答推定部11によって推定された転舵応答量と、転舵状態量検出部4(角度センサ)によって検出された実転舵角δとに基づいて、指令トルクτを演算する。
これにより、転舵することによりタイヤに発生する路面反力を考慮して、転舵応答を推定することが可能となり、指令値演算部13における転舵応答量(推定転舵角δa)と実転舵角δとの偏差が小さくなる。この結果、目標転舵角δに対する転舵用モータ1の応答性を高めることが可能となり、急操舵した際のドライバの違和感をなくすことができる。
以上のように、実施の形態1によれば、ハンドルとタイヤとが機械的に切り離されているステアバイワイア車両の操舵装置が、転舵状態量検出部と、転舵応答推定部と、路面反力推定部と、指令値演算部とを含んで構成されている。
そして、路面反力推定部は、前回の制御サイクルにおいて推定された転舵応答量の推定値に基づいて路面反力を推定する。また、転舵応答推定部は、推定された路面反力を活用して今回の制御サイクルにおける転舵応答量を推定する。さらに、指令値演算部は、路面反力を考慮して推定された転舵応答量と、転舵状態量検出部による測定値に基づいて、操舵トルク指令値を算出している。
これにより、タイヤに発生する路面反力を考慮して、転舵応答を推定することが可能となり、推定された転舵応答量と実転舵角との偏差が小さくなり、転舵用モータの目標転舵角に対する応答性を高めることができる。
実施の形態2.
先の実施の形態1では、転舵状態量として、転舵角のみを採用していた。これに対して、本実施の形態2では、転舵状態量として、転舵角とともに転舵角速度を採用することで、さらなる応答性の向上を図る構成について説明する。
図4は、本発明の実施の形態2によるハンドルとタイヤとが機械的に切り離されているステアバイワイア車両の操舵装置を示す構成図である。
図4に示すように、本実施の形態2では、転舵応答推定部11において、転舵応答量として、転舵角δa、転舵角加速度αaとともに、さらに転舵角速度ωaが推定される。また、転舵状態量検出部4において、転舵状態量として、実転舵角δとともに、さらに実転舵角速度ωが検出され、指令値演算部13へと入力される。
なお、実転舵角速度ωは、実転舵角δを微分することにより求めてもよいし、転舵用モータ1の誘起電圧等、他の物理量の検出結果により求めてもよい。
次に、フローチャートを用いて、本実施の形態2における転舵応答推定部11および路面反力推定部12の一連動作について説明する。図5は、本発明の実施の形態2に係る転舵応答推定部11および路面反力推定部12における一連動作を示すフローチャートである。
まず始めに、ステップS300において、路面反力推定部12は、制御ユニット10による前回の制御サイクルにおいて転舵応答推定部11で推定された推定転舵角δaおよび推定転舵角速度ωaを読み出す。
次に、ステップS301において、路面反力推定部12は、先のステップS300で読み出した前回の制御サイクルにおける推定転舵角δaおよび推定転舵角速度ωaに基づいて、路面反力を推定する。具体的には、路面反力推定部12は、前回の制御サイクルで推定した転舵角δaに対してあらかじめ定められた比例ゲインKalignを乗じたものと、前回の制御サイクルで推定した転舵角速度ωaに対してあらかじめ定められた比例ゲインCalignを乗じたものとを加算して、路面反力の推定値Trとして算出する。
次に、ステップS302において、転舵応答推定部11は、目標転舵角δと前回の制御サイクルで推定した転舵角δaとの偏差dδaを演算する。そして、ステップS303において、転舵応答推定部11は、目標転舵角速度ωを演算する。具体的には、転舵応答推定部11は、先のステップS302で求めた偏差dδaに対して、あらかじめ定められた比例ゲインGcを乗じて、目標転舵角速度ωを演算し、ステップS304へと進む。
次に、ステップS304において、転舵応答推定部11は、目標転舵角速度ωと前回の制御サイクルで推定した転舵角速度ωaとの偏差dωaを演算し、ステップS305へと進む。
そして、ステップS305において、転舵応答推定部11は、転舵応答量のうちの転舵角加速度αaを推定する。具体的には、転舵応答推定部11は、転舵角速度の偏差dωaに対して、あらかじめ定められた比例ゲインGdを乗じて、目標転舵トルクτを算出する。そして、転舵応答推定部11は、算出した目標転舵トルクτと、路面反力推定部12で算出された路面反力の推定値Trとの差分を、転舵系の回転慣性モーメントJで除し、転舵角加速度αaを演算する。
次に、ステップS306において、転舵応答推定部11は、先のステップS305における演算結果である転舵角加速度αaを一回積分することにより転舵角速度ωaを推定する。
そして、ステップS307において、転舵応答推定部11は、先のステップS306における推定結果である転舵角速度ωaを一回積分することにより、転舵角δaを推定する。
次に、フローチャートを用いて、本実施の形態2における指令値演算部13の一連動作について説明する。図6は、本発明の実施の形態2に係る指令値演算部13における一連動作を示すフローチャートである。
まず始めに、ステップS400において、指令値演算部13は、転舵応答推定部11により推定された転舵角δaと、角度センサにより検出された実転舵角δとの偏差dδを演算する。
次に、ステップS201において、指令値演算部13は、dδに対して、あらかじめ定められた比例ゲインGeを乗じて、転舵角速度補正量ωbを演算する。
次に、ステップS402において、指令値演算部13は、転舵応答推定部11により転舵応答量として推定された転舵角速度ωaと、転舵状態量検出部4で検出された実転舵角速度ωとの偏差dωを演算する。そして、ステップS403において、指令値演算部13は、dωに対して、あらかじめ定められた比例ゲインGfを乗じて、転舵角加速度補正量αbを演算する。
次に、ステップS404において、指令値演算部13は、転舵応答量として推定された転舵角加速度αaと、演算結果である前記転舵角加速度補正量αbとを加算し、目標転舵角加速度αを算出する。さらに、指令値演算部13は、算出した目標転舵角加速度αに対して回転慣性モーメントJを乗じて、転舵用モータ1への指令トルクτを演算する。
このようにして、制御ユニット10は、図5および図6に示した一連処理を実行することで算出した指令トルクτに基づいて、転舵用モータ1を制御することで、所望の転舵角δを実現することが可能となる。
上述した処理を整理すると、本実施の形態2における制御ユニット10は、以下の処理を実行することとなる。
(1)路面反力推定部12は、前回の制御サイクルで転舵応答推定部11により推定された転舵角δaと転舵角速度ωaを用いて、路面反力Trを推定する。
(2)転舵応答推定部11は、路面反力推定部12によって推定された路面反力Trを用いて、今回の制御サイクルにおける転舵応答量として、転舵角δa、転舵角速度ωa、および転舵角加速度αaを推定する。
(3)指令値演算部13は、転舵応答推定部11によって推定された転舵応答量と、転舵状態量検出部4によって検出された実転舵角δおよび実転舵角速度ωとに基づいて、指令トルクτを演算する。
これにより、転舵角および転舵角速度を考慮して、転舵することによりタイヤに発生する路面反力をより精度よく推定できる。さらに、指令値演算部13における転舵応答量(推定転舵角δa)と実転舵角δ、転舵応答量(推定転舵角速度ωa)と実転舵角速度ω、それぞれの偏差が小さくなる。この結果、目標転舵角δに対する転舵用モータ1の応答性を、先の実施の形態1と比較してさらに高めることが可能となり、急操舵した際のドライバの違和感をなくすことができる。
以上のように、実施の形態2によれば、ハンドルとタイヤとが機械的に切り離されているステアバイワイア車両の操舵装置が、転舵状態量検出部と、転舵応答推定部と、路面反力推定部と、指令値演算部とを含んで構成されている。そして、実施の形態2の構成によれば、転舵角速度をさらに考慮して、路面反力の推定、および指令値の算出を実現できる。
これにより、タイヤに発生する路面反力を考慮して、転舵応答を推定することが可能となり、推定された転舵応答量(推定転舵角および推定転舵角速度)と、実転舵角および実転舵角速度とのそれぞれの偏差が小さくなり、転舵用モータの目標転舵角に対する応答性を、先の実施の形態1よりもさらに高めることができる。
なお、上述した実施の形態1、2では、比例ゲインKalignおよび比例ゲインCalignは、比例定数とした。しかしながら、これらの比例ゲインは、車速に応じて可変としてもよい。図7は、本発明の実施の形態2において、車速に応じて変化する比例ゲインの特性を示した説明図である。この図7に示した特性を採用することで、転舵による路面反力の飽和や、車速の変化による比例ゲインKalign、Calignの変化に対応することができ、より転舵の応答性を高めることができる。
1 転舵用モータ、2 転舵機構部、3 タイヤ、4 転舵状態量検出部、10 制御ユニット、11 転舵応答推定部、12 路面反力推定部、13 指令値演算部。

Claims (5)

  1. ハンドルとタイヤとが機械的に切り離されているステアバイワイア車両の操舵装置であって、
    前記タイヤの転舵角の測定値を含む状態量を、前記タイヤの転舵状態量として検出する転舵状態量検出部と、
    与えられた目標転舵角に従って転舵アクチュエータによりタイヤを転舵したならば得られる前記タイヤの転舵角および転舵角加速度を転舵応答量として推定する転舵応答推定部と、
    前記転舵状態量検出部により検出された前記転舵状態量と、前記転舵応答推定部により推定された前記転舵応答量とに基づいて、前記目標転舵角に応じて前記タイヤを転舵制御するための前記転舵アクチュエータの指令値を演算する指令値演算部と、
    前回の制御サイクルにおいて前記転舵応答推定部により推定された転舵角に基づいて、前記タイヤに発生する路面反力を推定し、今回の制御サイクルで使用する路面反力推定値として前記転舵応答推定部に対して出力する路面反力推定部と
    を備え、
    前記転舵応答推定部は、今回の制御サイクルにおいて、与えられた前記目標転舵角、前回の制御サイクルで推定された前記転舵角、および前記路面反力推定部から取得した前記路面反力推定値に基づいて、前記転舵応答量を推定する
    ステアバイワイア車両の操舵装置。
  2. 請求項1に記載のステアバイワイア車両の操舵装置であって
    前記転舵状態量検出部は、前記タイヤの転舵角および転舵角速度の測定値を含む状態量を、前記転舵状態量として検出し、
    前記転舵応答推定部は、与えられた目標転舵角に従って転舵アクチュエータによりタイヤを転舵したならば得られる前記タイヤの転舵角、転舵角速度および転舵角加速度を転舵応答量として推定するものであって、今回の制御サイクルにおいて、与えられた前記目標転舵角、前回の制御サイクルで推定された前記転舵角および前記転舵角速度、および前記路面反力推定部から取得した前記路面反力推定値に基づいて、前記タイヤの転舵角、転舵角速度、および転舵角加速度を、前記転舵応答量として推定し、
    前記指令値演算部は、前記転舵状態量検出部により検出された前記転舵状態量と、前記転舵応答推定部により推定された前記転舵応答量とに基づいて、前記転舵アクチュエータの指令値を演算し、
    前記路面反力推定部は、前回の制御サイクルにおいて前記転舵応答推定部により推定された転舵角および転舵角速度に基づいて、前記タイヤに発生する路面反力を推定する
    ステアバイワイア車両の操舵装置。
  3. 請求項2に記載のステアバイワイア車両の操舵装置であって
    前記指令値演算部は、
    前記転舵応答推定部により推定された前記転舵応答量に含まれる転舵角の転舵応答推定値と、前記転舵状態量検出部により検出された前記転舵状態量に含まれる転舵角の測定値との偏差に基づいて、転舵角速度の補正量を演算する転舵角速度補正部と、
    前記転舵応答推定部により演算された前記転舵応答量に含まれる転舵角速度の転舵応答推定値と、前記転舵状態量検出部により検出された前記転舵状態量に含まれる転舵角速度の測定値との偏差に基づいて、転舵角加速度の補正量を演算する転舵角加速度補正部と、
    前記転舵応答推定部により推定された前記転舵応答量に含まれる転舵角加速度の転舵応答推定値と、前記転舵角加速度補正部により演算された前記転舵角加速度の補正量とに基づいて、前記転舵アクチュエータに与える指令トルクを前記指令値として演算する指令トルク演算部と
    を有するステアバイワイア車両の操舵装置。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載のステアバイワイア車両の操舵装置であって
    前記路面反力推定部は、
    前記転舵応答量と前記路面反力との対応を関連づけたテーブルを複数の車速に応じて個別に記憶する記憶部を有しており、
    外部から取得した車速の検出結果に応じた適切なテーブルを用いて、前記路面反力を推定する
    ステアバイワイア車両の操舵装置。
  5. ハンドルとタイヤとが機械的に切り離されているステアバイワイア車両の操舵制御を実行する制御ユニットを備えた操舵装置に適用されるステアバイワイア車両の操舵制御方法であって、
    前記制御ユニットにおいて、
    前記タイヤの転舵角の測定値を含む状態量を、転舵状態量検出部を介して前記タイヤの転舵状態量として取得する転舵状態量検出ステップと、
    与えられた目標転舵角に従って転舵アクチュエータによりタイヤを転舵したならば得られる前記タイヤの転舵角および転舵角加速度を転舵応答量として推定する転舵応答推定ステップと、
    前記転舵状態量検出ステップにより検出された前記転舵状態量と、前記転舵応答推定ステップにより推定された前記転舵応答量とに基づいて、前記目標転舵角に応じて前記タイヤを転舵制御するための前記転舵アクチュエータの指令値を演算する指令値演算ステップと、
    前回の制御サイクルにおいて前記転舵応答推定ステップにより推定された転舵角に基づいて、前記タイヤに発生する路面反力を推定し、今回の制御サイクルで使用する路面反力推定値を算出する路面反力推定ステップと
    を備え、
    前記転舵応答推定ステップは、今回の制御サイクルにおいて、与えられた前記目標転舵角、前回の制御サイクルで推定された前記転舵角および前記路面反力推定ステップから取得した前記路面反力推定値に基づいて、前記転舵応答量を推定する
    ステアバイワイア車両の操舵制御方法。
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