JP6405708B2 - ステアリング制御装置およびステアリング制御装置の目標操舵特性決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両の操舵系にモータによる操舵補助力を付与するステアリング制御装置およびステアリング制御装置の目標操舵特性決定方法に関するものである。

車両のステアリングをモータの回転力で補助負荷付勢するステアリング制御装置において、熟練の作業者が制御パラメータの値を手作業により設定し、テストドライバがその設定された制御パラメータの操舵特性を評価し、違和感があれば再度、熟練の作業者が制御パラメータの値を設定し直すことにより、パラメータの設定を行う方法がある。さらに、パラメータの設定を容易にするために、アシストマップ制御に対して目標操舵特性を入力し、必要なモータ電流に基づいてアシストマップを設定する方法がある。（例えば特許文献１参照）

特開２００８−１１０６２９号公報

従来のステアリング制御装置においては、アシストマップ制御に対して目標操舵特性を入力するときには、目標操舵特性を正しく設定するためには多数の値を入力する必要があり、作業量が膨大になるという問題があった。

本発明は前記のような問題を解決するためになされたもので、少ない入力作業で適切な目標操舵特性を設定するステアリング制御装置を提供することを目的としている。

本発明によるステアリング制御装置は、ステアリングの操舵角に基づきモータの制御を行う制御ユニットと、制御ユニットの制御パラメータを調整する制御パラメータ調整部とを備え、制御パラメータ調整部は、操舵角とステアリングが受ける操舵トルクとの関係を示す操舵特性情報を保持し、入力された複数の基準点の情報を補間処理することにより目標操舵特性を算出する補間部を備え、補間部は、目標操舵特性における操舵トルクの値が操舵角に対して単調増加か否かを検出し、単調増加でない場合には、前記補間処理の補間方法を変更して再度前記目標操舵特性を算出するものである。

本発明によれば、ステアリングの操舵角に基づきモータの制御を行う制御ユニットと、制御ユニットの制御パラメータを調整する制御パラメータ調整部とを備え、制御パラメータ調整部は、操舵角とステアリングが受ける操舵トルクとの関係を示す操舵特性情報を保持し、入力された複数の基準点の情報を補間処理することにより目標操舵特性を算出する補間部を備え、補間部は、目標操舵特性における操舵トルクの値が操舵角に対して単調増加か否かを検出し、単調増加でない場合には、前記補間処理の補間方法を変更して再度前記目標操舵特性を算出するので、少ない入力作業で適切な目標操舵特性を設定することができる。

本発明の実施の形態１によるステアリング制御装置の構成図である。 本発明の実施の形態１による制御パラメータ調整部の構成図である。 本発明の実施の形態１による制御ユニットの詳細を説明する図である。 本発明の実施の形態１において現状の車両の操舵特性を表示するときの制御パラメータ調整部の動作を説明する図である。 本発明の実施の形態１による操舵特性の例を示す図である。 本発明の実施の形態１において目標操舵特性を演算するときの制御パラメータ調整部の動作を説明する図である。 本発明の実施の形態１における目標操舵特性領域を特定するときの表示部の出力例を示す図である。 本発明の実施の形態１において補間範囲を設定する方法について示した示す図である。 本発明の実施の形態１による演算部における補間処理の様子を示すである。 本発明の実施の形態１において補間範囲の中間部にうねりが発生しているような目標操舵特性の例を示す図である。 本発明の実施の形態１において補間範囲の中間部にうねりが発生している目標操舵特性に対して再度の補間処理を行った例を示す図である。 本発明の実施の形態１において目標操舵特性を変更するときの制御パラメータ調整部の動作を説明する図である。 本発明の実施の形態１において目標操舵特性を変更するときの目標操舵特性領域を特定する表示部の出力例を示す図である。 本発明の実施の形態１において目標操舵特性を変更するときに補間範囲を設定する方法を説明する図である。 本発明の実施の形態１において目標操舵特性を変更するときの演算部における補間処理の様子を示す図である。

実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１によるステアリング制御装置の一例を示したものである。ステアリング１はステアリング軸２の端部に連結されており、ステアリング軸２は軸線を中心としてステアリング１とともに回転する。ステアリング軸２のもう一方の端部には転舵機構部４が連結されており、転舵機構部４には左右一対の転舵輪５が設けられている。転舵機構部４は、ステアリング軸２の回転に応じて各転舵輪５を転舵する。よって、各転舵輪５の転舵角は、ステアリング軸２の回転角度に応じて変化する。

ステアリング軸２の中間部には減速装置３が設けられており、ステアリング軸２のステアリング１と減速装置３との間にはトルクセンサ６が設けられている。トルクセンサ６は、ステアリング軸２が受ける操舵トルクを検出する。本発明の実施の形態１では、ステアリング軸２の一部がトーションバーになっており、トルクセンサ６はトーションバーのねじれ角に応じた信号を出力する。

減速装置３は、回転軸を有するモータ７が設けられており、モータ７は電力を受けて回転軸を回転させることによりトルクを発生する。モータ７が発生したトルクは、減速装置３を介してステアリング軸２に与えられる。これにより、ステアリング軸２の回転角度および各転舵輪５の転舵角は、モータ７の回転軸の回転角度に応じて変化する。

モータ７は、ブラシレスＤＣモータもしくはブラシ付ＤＣモータなどである。モータ７には回転軸の回転角度に応じた信号を出力する角度センサ８が設けられている。角度センサ８は、ステアリング軸２の回転角度および各転舵輪５の転舵角のそれぞれに応じた信号を出力する。角度センサ８は、例えば、レゾルバやエンコーダなどによって実現される。

モータ７には、モータ７を流れる電流を検出する電流センサ９が設けられている。また、車両には、車両の速度を検出する車速センサ１０が設けられている。さらに、車両には、ステアリング１の操舵に基づきモータ７の制御を行う制御ユニット１２と、制御ユニット１２の制御パラメータを調整する制御パラメータ調整部１１とが搭載されている。

図２は、制御パラメータ調整部１１の詳細を示す図である。制御パラメータ調整部１１は、表示部１３と演算部１４とを備えている。表示部１３は、タッチパネル等により入力データの取得も可能なものとし、入力データは演算部１４に送られる。演算部１４は、設定部１９、補間部２０および判定部２１を備えており、表示部１３から送られてきた入力データから制御パラメータや操舵特性の演算を行う。

設定部１９は、表示部１３から送られてきた入力データを元に、補間部２０が補間処理を行うための目標となる操舵特性領域の設定を行う。例えば、入力データとして補間を行う両端の２点および通過点の２点の合計４点の情報を取得した場合、その４点からなる領域が目標操舵特性領域となる。

補間部２０は、設定部１９によって設定された目標操舵特性領域に基づき、操舵特性の補間を行う。

判定部２１は、補間部２０によって保管された操舵特性に違和感がないかどうかを、判定する。

実施の形態１では、表示部１３と演算部１４とは別々の構成としたが、表示部１３と演算部１４とが一体となったタブレットＰＣやスマートフォンのような構成でもかまわない。

図３は、制御ユニット１２の詳細を示す図である。制御ユニット１２は、パワーアシスト制御部１５とモータ制御部１６とを備えている。パワーアシスト制御部１５は、トルクセンサ６、角度センサ８および車速センサ１０のそれぞれの出力から、ステアリング１の操舵をアシストするために必要なモータ７への入力電流をパワーアシスト用目標電流として算出する。モータ制御部１６は、パワーアシスト制御部１５、角度センサ８および電流センサ９のそれぞれの出力情報をもとに、モータ７の電流を制御する。制御ユニット１２の演算は、所定の周期で繰り返し行われる。

パワーアシスト制御部１５は、まず、トルクセンサ６および車速センサ１０の情報から、運転者の操舵トルクを軽減する基本アシストトルクを決定し、この基本アシストトルクを発生させる基本アシスト指令電流を算出する。次に、角度センサ８の情報であるモータ回転角度からモータ回転角速度を求め、この情報をもとにステアリング１を操作したときの粘性感を調整するための粘性補償指令電流を算出する。このようにして求めた基本アシスト指令電流と粘性補償指令電流との合計値からパワーアシスト用目標電流を求め、これを出力する。

モータ制御部１６は、電流制御器１７と駆動回路１８とを備えている。電流制御器１７は、パワーアシスト制御部１５、角度センサ８および電流センサ９のそれぞれから情報を受け取る。電流制御器１７は、パワーアシスト制御部１５の出力であるパワーアシスト用目標電流を指令電流として、この値が電流センサ９で検出した電流と一致するように、角度センサ８からの情報をもとにモータ７の印加電圧を算出する。駆動回路１８は、電流制御器１７で算出された印加電圧がモータ７に印加されるように、モータ７を制御する。具体的には、電流制御器１７は、電流センサ９で検出した電流と指令電流との偏差に基づいて、モータ７の印加電圧を制御するためのＰＷＭ信号（電圧指令信号）を算出する。駆動回路１８は、電流制御器１７からの電圧指令信号に基づいて、モータ７に対してＰＷＭ制御を行う。

次に、制御パラメータ調整部１１において、現状の車両の操舵特性を表示するときの動作について説明する。図４は、現状の車両の操舵特性を表示するときの制御パラメータ調整部１１の動作を説明する図である。ステップＳ１１では、制御パラメータ調整部１１は、制御ユニット１２から制御情報を受信し、現在設定されている制御パラメータの値をメモリに記憶する。ステップＳ１２では、制御パラメータ調整部１１の演算部１４において、ステップＳ１１で受信した制御パラメータの値をもとに操舵特性を演算する。具体的には、演算部１４の内部に車両の運動モデルを予め保持しておき、制御パラメータの値をもとに操舵により発生する操舵角（ステアリング１の回転角度）および操舵トルクを演算する。なお、車両の運動モデルについては、実際に走行したときにデータを取得してその値を使用してもよい。ステップＳ１３では、演算された操舵特性を表示部１３に出力する。具体的には、例えば、図５に示すように、ステップＳ１２で演算された操舵角と操舵トルクの関係を２次元座標上に曲線として表示部１３に出力する。

さらに、制御パラメータ調整部１１において、目標操舵特性を演算するときの動作について説明する。図６は、制御パラメータ調整部１１において、目標操舵特性を演算するときの動作の詳細を説明する図である。ステップＳ２１では、ステアリング制御装置に対して目標操舵特性領域を特定するための情報として例えば基準点などが入力され、入力された情報をメモリに記憶するとともに、入力された情報を表示部１３に出力する。

図７は、目標操舵特性領域を特定するときの表示部１３の出力例を示している。点線は、現状の車両の操舵特性である。目標操舵特性領域を特定するための情報として、例えば図７の丸印で示された基準点を入力し、これを表示部１３に表示する。これにより、操舵特性領域の変更前後の特性の違いが分かりやすくなる。例えば、作業者がタッチパネルから基準点を指定する場合は、タッチしたときの指の接触面の中心点を領域の中心点に設定してもよいし、最初に現状の車両の操舵特性上に基準点を設定した後、タッチパネルに接触した指をスライドさせて新たな基準点を設定してもよい。

図６のステップＳ２２では、設定部１９において、ステップＳ２１において入力された目標操舵特性領域の情報に基づき、目標操舵特性の補間を行う範囲を設定する。図８は、補間範囲を設定する具体的な方法について示した図である。この例では、目標操舵特性領域の基準点が３点以上入力された場合、その両端の点によって指定される範囲を補間範囲としている。補間範囲を決定する方法としては、基準点が１点だけ入力された場合は、その基準点から予め定められた操舵角の範囲、例えば、±５ｄｅｇの範囲を、補間範囲としてもよい。

ステップＳ２３では、補間部２０において、ステップＳ２２で設定された補間範囲において、ステップＳ２１において入力された基準点を通過するように補間処理を行い、目標操舵特性を演算する。図９は、演算部１４における補間処理の様子を示す図である。補間処理は、例えば、３次スプライン補間により行われる。図９に示す例では、補間範囲の中間部にある２つの基準点と補間範囲の両端を示す２つの点の合計４点を通り、補間範囲の両端で操舵特性の２次導関数（操舵角の２階微分）が零（１次導関数が補間範囲内と補間範囲外で一致する）となるように、目標操舵特性が演算される。なお、実際の演算においてはデータが離散値として入力されるため、２次導関数が厳密には零にならないことがある。このときは、ドライバが違和感を覚えない範囲で零に近い値になればよい。

このように基準点を補間処理することにより、目標操舵特性を設定するときに実際のデータの分解能（例えば、０．１ｄｅｇ）毎に基準点を指定する必要が無く、少ない入力で目標操舵特性を設定することができる。また、操舵角と操舵トルクからなる２次元空間上で操舵特性曲線の補間処理を行うので、ステアリング１を操作するときの操舵角変化に対する操舵トルクの変化が滑らかになり、違和感のない操舵フィーリングを容易に得ることができる。さらに、補間範囲の両端の２次導関数を零あるいは零に近い値になるように補間処理を行うことにより、補間範囲の両端部において操舵特性の急な変化を抑制することができ、違和感のないスムーズな操舵特性を容易に得ることができる。

ステップＳ２４では、判定部２１において、補間部２０で求められた目標操舵特性に違和感があるかどうかを判定する。具体的には、目標操舵特性における操舵トルクの値が操舵角に対して単調増加か否かを検出し、単調増加でなければ違和感があると判定する。

ステップＳ２４において違和感があると判定され場合は、ステップＳ２３に戻って補間方法を変更して新しい目標操舵特性を演算する。これにより、補間処理によって違和感のある操舵特性が得られた場合に、目標操舵特性領域を特定するための基準点を新たに入力し直すことなく、違和感のないスムーズな操舵特性を得ることができる。

図１０および図１１は、ステップＳ２４において判定がＹＥＳとなってステップＳ２３を実行するときの補間処理の例を示す図である。例えば、１回目のステップＳ２３の補間処理において、図１０に示すように補間範囲の中間部においてうねりが発生しているような目標操舵特性を得た場合を想定する。このような場合においては、ステアリング１を一定方向に操舵しているときに操舵トルクの値が上下してしまい、操舵特性として違和感のあるものになってしまう。このようなときには、図１０に示された目標操舵特性における操舵トルクの値が操舵角に対して単調増加ではないことから、ステップＳ２４の判定がＹＥＳとなってステップＳ２３に戻って補間方法を変更して新しい目標操舵特性を演算する。図１１は、２回目のステップＳ２３の補間処理の例を示す図である。図１１の例では、補間範囲の中でうねりが発生している部分のみにおいて、基準点を直接結ぶ様な線形補間を行うものとしている。また、うねり発生の原因となった中間部の基準点を除外する方法や、３次スプライン補間以外の異なる次数の補間法を用いるなどの方法がある。

目標操舵特性における操舵トルクの値が操舵角に対して単調増加であり、ステップＳ２４の判定がＮＯとなった場合は、ステップＳ２５において演算結果である目標操舵特性を表示部１３に出力する。

ステップＳ２６では、目標操舵特性領域を特定するための情報として例えば基準点などの入力が完了したか否かを判定し、完了していない場合は、ステップＳ２１に戻って新たな目標操舵特性領域を設定する。目標操舵特性領域を特定するための情報として例えば基準点などの入力が完了した場合は、ステップＳ２７へ進む。ステップＳ２６の入力完了の判断は、演算部１４において行ってもよいし、作業者が判断して完了ボタンを押下するなどしてもよい。

ステップＳ２７では、演算部１４において、得られた目標操舵特性領域を実現するための制御パラメータを演算する。具体的には、図４のステップＳ１２で演算された現状の車両の操舵特性と図６のステップＳ２３で演算された目標操舵特性との差分を求め、その差分の値から、パワーアシスト制御部１５で演算されるべきパワーアシスト用目標電流と制御パラメータ値とを逆算する。

このようにして得られた制御パラメータ値は、ステップＳ２８において、表示部１３に出力される。これにより、得られた制御パラメータ値を確認することができる。よって、新たに求められた制御パラメータは、すぐに制御ユニット１２に書き込んでもよいし、作業者による承認を経てから制御ユニット１２に書き込んでもよい。新たに求められた制御パラメータが制御ユニット１２に書き込まれると、実際の操舵に反映されることになる。

次に、一度入力された目標操舵特性を変更する手順について説明する。図１２は、制御パラメータ調整部１１において、目標操舵特性を変更するときの動作の詳細を説明する図である。例えば、表示部１３に「目標操舵特性変更ボタン」を表示しておき、このボタンが押されたときに図１２に示す手順で処理を行う。

ステップＳ３１では、図６のステップＳ２１と同様に、ステアリング制御装置に対して目標操舵特性領域を特定するための情報として例えば基準点などが入力され、入力された情報をメモリに記憶するとともに、入力された情報を表示部１３に出力する。例えば、図１３に示すように、予め、図４のステップＳ１３による現状の車両の操舵特性、または、図６のステップＳ２５による目標操舵特性などが、表示部１３に示されており、入力された基準点の情報が実線の丸印によって示される。

ステップＳ３２では、ステップＳ３１において入力された目標操舵特性領域の情報に基づき、目標操舵特性の補間を行う範囲を設定する。例えば、図１４に示すように、目標操舵特性領域の基準点が３点以上入力された場合、その両端の点によって指定される範囲を補間範囲としている。補間範囲を決定する方法としては、基準点が１点だけ入力された場合は、その基準点から予め定められた操舵角の範囲、例えば、±５ｄｅｇの範囲を、補間範囲としてもよい。

ステップＳ３３では、補間部２０において、ステップＳ３２で設定された補間範囲において、ステップＳ３１において入力された基準点を通過するように補間処理を行い、目標操舵特性を演算する。例えば、図１５に示すように、補間処理は、例えば、３次スプライン補間により行われる。図１５に示す例では、補間範囲の中間部にある２つの基準点と補間範囲の両端を示す２つの点の合計４点を通り、補間範囲の両端で操舵特性の２次導関数（操舵角の２階微分）が零（１次導関数が補間範囲内と補間範囲外で一致する）となるように、目標操舵特性が演算される。なお、実際の演算においてはデータが離散値として入力されるため、２次導関数が厳密には零にならないことがある。このときは、ドライバが違和感を覚えない範囲で零に近い値になればよい。

このように基準点を補間処理することにより、目標操舵特性を設定するときに実際のデータの分解能（例えば、０．１ｄｅｇ）毎に基準点を指定する必要が無く、少ない入力で目標操舵特性を設定することができる。また、操舵角と操舵トルクからなる２次元空間上で操舵特性曲線の補間処理を行うので、ステアリング１を操作するときの操舵角変化に対する操舵トルクの変化が滑らかになり、違和感のない操舵フィーリングを容易に得ることができる。さらに、補間範囲の両端の２次導関数を零あるいは零に近い値になるように補間処理を行うことにより、補間範囲の両端部において操舵特性の急な変化を抑制することができ、違和感のないスムーズな操舵特性を容易に得ることができる。

ステップＳ３４では、判定部２１において、補間部２０で求められた目標操舵特性に違和感があるかどうかを判定する。具体的には、目標操舵特性における操舵トルクの値が操舵角に対して単調増加か否かを検出し、単調増加でなければ違和感があると判定する。

ステップＳ３４において違和感があると判定され場合は、ステップＳ３５に進み、補間方法を変更する。その後、ステップＳ３３において、再度、目標操舵特性を演算する。これにより、補間処理によって違和感のある操舵特性が得られた場合に、目標操舵特性領域を特定するための基準点を新たに入力し直すことなく、違和感のないスムーズな操舵特性を得ることができる。補間方法の変更については、補間範囲の中でうねりが発生している部分のみにおいて基準点を直接結ぶ様な線形補間を行うものとしてもよいし、うねり発生の原因となった中間部の基準点を除外する方法や、３次スプライン補間以外の異なる次数の補間法を用いるなどの方法でもよい。

ステップＳ３４において違和感がないと判定され場合は、ステップＳ３６へと進み、演算された目標操舵特性を表示部１３に出力する。ステップＳ３７では、演算部１４において、得られた目標操舵特性領域を実現するための制御パラメータを演算する。例えば、図４のステップＳ１２で演算された現状の車両の操舵特性と図１２のステップＳ３３で演算された目標操舵特性との差分を求め、その差分の値から、パワーアシスト制御部１５で演算されるべきパワーアシスト用目標電流と制御パラメータ値とを逆算する。

ステップＳ３８では、ステップＳ３７で演算された制御パラメータを、表示部１３に出力する。これにより、得られた制御パラメータ値を確認することができる。よって、新たに求められた制御パラメータは、すぐに制御ユニット１２に書き込んでもよいし、作業者による承認を経てから制御ユニット１２に書き込んでもよい。新たに求められた制御パラメータが制御ユニット１２に書き込まれると、実際の操舵に反映されることになる。

なお、実施の形態１では、操舵特性を操舵角−操舵トルクの２次元座標系において示すものとしたが、他の座標系において操舵特性を示してもよく、例えば、操舵角速度−操舵トルクの２次元座標系、車両のヨーレート−操舵トルクの２次元座標系において示してもよい。さらに、これら複数種類の操舵特性を、表示部１３に表示してもよい。

また、実施の形態１では、転舵輪５とステアリング１とが機械的に接続されている構成としたが、ステアバイワイヤの様な転舵輪５とステアリング１とが機械的に接続されていない構成としてもよい。

さらに、実施の形態１では、操舵特性を２次元座標系に表現したが、例えば、車速をもう一つの座標軸として３次元座標系において操舵特性を表現し、補間方法を双三次補間（バイキュービック補間）などにしてもよい。これにより、車速が変化しているときの操舵特性の変化を視覚的に理解しやすくなり、補間範囲の境界での操舵トルク変化をよりスムーズにすることができる。

なお、実施の形態１では、パワーアシスト制御部１５は、基本アシスト指令電流と粘性補償指令電流との合計値からパワーアシスト用目標電流を求めるとしたが、操舵トルクと目標操舵特性との差分をフィードバックして追従制御を行うような構成としてもよい。この場合は、ステップＳ２７やステップＳ３７のように制御パラメータを求める行程を省略し、より簡易に目標操舵特性を設定することができる。

１１ 制御パラメータ調整部
１２ 制御ユニット
２０ 補間部

Claims (7)

1. ステアリングの操舵角に基づきモータの制御を行う制御ユニットと、
   前記制御ユニットの制御パラメータを調整する制御パラメータ調整部とを備え、
   前記制御パラメータ調整部は、
   前記操舵角と前記ステアリングが受ける操舵トルクとの関係を示す操舵特性情報を保持し、
   入力された複数の基準点の情報を補間処理することにより目標操舵特性を算出する補間部を備え、
   前記補間部は、前記目標操舵特性における前記操舵トルクの値が前記操舵角に対して単調増加か否かを検出し、単調増加でない場合には、前記補間処理の補間方法を変更して再度前記目標操舵特性を算出することを特徴とするステアリング制御装置。
2. 前記補間部で変更する前記補間方法は、補間範囲の中でうねりが発生している部分について前記基準点を直接結ぶ線形補間であることを特徴とする請求項１に記載のステアリング制御装置。
3. 前記補間部で変更する前記補間方法は、補間範囲の中でうねりが発生している中間部の基準点を除外して前記補間処理をすることを特徴とする請求項１に記載のステアリング制御装置。
4. 前記補間部は、単調増加でない場合に変更する前記補間方法が、補間範囲の中でうねりが発生している部分について前記基準点を直接結ぶ線形補間を行う、または前記補間範囲の中でうねりが発生している中間部の前記基準点を除外して前記補間処理を行うことを特徴とする請求項１に記載のステアリング制御装置。
5. 前記補間部は、補間範囲の両端で２次導関数が零である前記目標操舵特性を算出することを特徴とする請求項１に記載のステアリング制御装置。
6. 前記補間部は、操舵角、操舵トルク、車速の３次元座標系において補間処理を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のステアリング制御装置。
7. ステアリングの操舵角とステアリングが受ける操舵トルクの関係を示す操舵特性情報から目標操舵特性を決定するステアリング制御装置の目標操舵特性決定方法であって、
   複数の基準点の情報を取得する工程と、
   前記複数の基準点の情報を補間処理することにより目標操舵特性を算出する工程と、
   前記目標操舵特性における前記操舵トルクの値が前記操舵角に対して単調増加か否かを検出し、単調増加でない場合には、前記補間処理の補間方法を変更して再度前記目標操舵特性を算出する工程とを備えたステアリング制御装置の目標操舵特性決定方法。

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