JP6443237B2 - ステアリング状態推定装置及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、ステアリング状態推定装置及びプログラムに関する。

従来、検出したステアリングホイールの操舵角、車両の姿勢角、車両の加速度を用いて、ステアリングホイールの予め定められた部分に作用する力の慣性補償を行う装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来、剛体の３か所以上に配置された計６個の単軸並進加速度計を用いて、剛体の加速度および角加速度を計測する装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１−５３００８号公報 特開平１１−５１９５８号公報

上記特許文献１の従来技術では、車両に対するステアリングホイールの中心位置が変化しないと仮定し、車両の加速度、角加速度、角速度を用いた慣性補償を行うことで、ドライバの操作力を推定している。しかしながら、実際には車両に対するステアリングホイールの中心位置が変化し、車両とステアリングホイールとでは加速度、角加速度、角速度が異なる。そのため、ステアリングホイールの加速度、角加速度、角速度を推定する必要があった。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、推定精度及び計算時間を考慮して、ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定することができるステアリング状態推定装置及びプログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のステアリング状態推定装置は、ステアリングホイールの複数箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度を検出する加速度検出手段と、前記ステアリングホイールの加速度の注目周波数、前記加速度検出手段によって検出された前記加速度のナイキスト周波数、及び選択条件として予め定められた推定精度に基づいて、前記加速度の注目周波数及び前記ナイキスト周波数に対する前記推定精度が異なる複数の推定方法であって、かつ、前記ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定するための予め定められた複数の推定方法から、前記選択条件としての推定精度を満たす前記推定方法を選択し、選択された前記推定方法に従って、前記加速度検出手段によって検出された前記複数の箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度から、前記ステアリングホイールの前記予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定する加速度推定手段と、を含んで構成されている。

本発明のプログラムは、コンピュータを、ステアリングホイールの複数箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度を検出する加速度検出手段によって検出された前記ステアリングホイールの加速度の注目周波数、前記加速度検出手段によって検出された前記加速度のナイキスト周波数、及び選択条件として予め定められた推定精度に基づいて、前記加速度の注目周波数及び前記ナイキスト周波数に対する前記推定精度が異なる複数の推定方法であって、かつ、前記ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定するための予め定められた複数の推定方法から、前記選択条件としての推定精度を満たす前記推定方法を選択し、選択された前記推定方法に従って、前記加速度検出手段によって検出された前記複数の箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度から、前記ステアリングホイールの前記予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定する加速度推定手段として機能させるためのプログラムである。

本発明によれば、加速度検出手段によって、ステアリングホイールの複数箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度を検出する。

そして、加速度推定手段によって、ステアリングホイールの加速度の注目周波数、加速度検出手段によって検出された加速度のナイキスト周波数、及び選択条件として予め定められた推定精度に基づいて、加速度の注目周波数及びナイキスト周波数に対する推定精度が異なる複数の推定方法であって、かつ、ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定するための予め定められた複数の推定方法から、選択条件としての推定精度を満たす推定方法を選択し、選択された推定方法に従って、加速度検出手段によって検出された複数の箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度から、ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定する。

このように、ステアリングホイールの加速度の注目周波数、検出された加速度のナイキスト周波数、及び選択条件として予め定められた推定精度に基づいて、注目周波数及びナイキスト周波数に対する推定精度が異なる複数の推定方法から、選択条件としての推定精度を満たす推定方法を選択し、選択された推定方法に従って、検出された複数の箇所の各々における加速度から、ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定することにより、推定精度及び計算時間を考慮して、ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定することができる。

また、本発明は、前記加速度検出手段によって検出された前記ステアリングホイールの加速度に含まれる周波数成分に基づいて、前記加速度の注目周波数を決定する決定手段を更に含み、前記加速度推定手段は、前記決定手段によって決定された前記加速度の注目周波数、前記加速度検出手段によって検出された前記加速度のナイキスト周波数、及び前記選択条件として予め定められた推定精度に基づいて、前記選択条件としての推定精度を満たす前記推定方法を選択するようにすることができる。

また、本発明の前記加速度推定手段は、前記加速度の注目周波数、前記加速度検出手段によって検出された前記加速度のナイキスト周波数、及び前記選択条件として予め定められた推定精度に基づいて、前記選択条件としての推定精度を満たし、かつ前記ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定する計算時間が最も短い前記推定方法を選択するようにすることができる。

また、本発明は、前記ステアリングホイールの予め定められた部分に作用する力及びトルクを検出する検出手段と、前記加速度推定手段によって推定された前記ステアリングホイールの前記予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度に基づいて、前記予め定められた部分に発生する慣性力を推定する慣性力推定手段と、前記検出手段によって検出された前記力及び前記トルクと、前記慣性力推定手段によって推定された前記慣性力とに基づいて、ドライバが前記予め定められた部分に加えた力及びトルクを推定する操作力推定手段と、を更に含むようにすることができる。

このように、推定されたステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度に基づいて、ステアリングホイールの予め定められた部分に発生する慣性力を推定し、検出手段によって検出された力及びトルクと、推定された慣性力とに基づいて、ドライバが予め定められた部分に加えた力及びトルクを推定することにより、ステアリング操作力を精度よく推定することができる。

以上説明したように、本発明のステアリング状態推定装置及びプログラムによれば、ステアリングホイールの加速度の注目周波数、検出されたステアリングホイールの複数箇所の加速度のナイキスト周波数、及び選択条件として予め定められた推定精度に基づいて、注目周波数及びナイキスト周波数に対する推定精度が異なる複数の推定方法から、選択条件としての推定精度を満たす推定方法を選択し、選択された推定方法に従って、検出されたステアリングホイールの複数箇所の加速度から、ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定することにより、推定精度及び計算時間を考慮して、ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定することができる、という効果が得られる。

本発明の第１の実施の形態に係るステアリング状態推定装置の機能ブロック図である。 本実施の形態に係るステアリングホイールの第１の概略図である。 本実施の形態に係るステアリングホイールの第２の概略図である。 本実施の形態に係る加速度センサの詳細な構成例を示す図である。 横軸をステアリング振動周波数とナイキスト周波数との比ｆ_ｖ／ｆ_Ｎ、縦軸を推定誤差とした場合のマップの一例を示す図である。 横軸をステアリング振動周波数とナイキスト周波数との比ｆ_ｖ／ｆ_Ｎ、縦軸を計算時間とした場合のマップの一例を示す図である。 マップを生成するためのシミュレーションにおけるステアリング振動周波数ｆ_ｖの条件を表す図である。 マップを生成するためのシミュレーションにおけるナイキスト周波数ｆ_Ｎの条件を表す図である。 シミュレーションによって生成された、推定誤差に関するマップの一例を示す図である。 シミュレーションによって生成された、計算時間に関するマップの一例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るステアリング状態推定装置が実行するステアリング状態推定処理のフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係るステアリング状態推定装置の機能ブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係るステアリング状態推定装置が実行するステアリング状態推定処理のフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
＜ステアリング状態推定装置１０の構成＞
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るステアリング状態推定装置１０は、ステアリング状態推定装置１０を搭載した車両のステアリングホイールに作用する力及びトルクを検出する６分力計１２と、ステアリングホイールの複数箇所の各々における加速度を検出する加速度センサ１４と、コンピュータ２０とを備えている。６分力計１２は検出手段の一例であり、加速度センサ１４は加速度検出手段の一例である。また、本発明の実施の形態に係るステアリング状態推定装置は、ドライバがステアリングホイールに作用させる６分力を推定することに適用可能である。

本実施の形態のステアリング状態推定装置１０を搭載した車両のステアリングホイールの詳細について説明する。図２及び図３にステアリングホイールの一例を示す。図２に示すように、ステアリング状態推定装置１０を搭載した車両のステアリングホイールＢは、グリップ部Ｃを含んで構成される。本実施の形態では、ステアリングホイールＢ全体を剛体と仮定する。本発明の実施の形態に係るステアリング状態推定装置１０は、推定されたステアリングホイールＢの加速度を用いて慣性力を推定し、グリップ部Ｃにかかる力から慣性力を除去することにより、ドライバのステアリング操作力を精度良く推定することができる。

ステアリングホイールＢには、図２に示すように、ステアリングホイールＢのグリップ部Ｃに作用する力及びトルクを検出する６分力計１２が設置されている。６分力計１２によってステアリングホイールＢのグリップ部Ｃに作用する力ｆ_ｍｅｓを検出する場合には、グリップ部Ｃを６分力計１２に取り付ける必要がある。そのため、グリップ部Ｃに作用する力ｆ_ｍｅｓには、グリップ部Ｃへドライバが作用させた操作力ｆ_ｅｘｔだけでなく、グリップ部Ｃの質量による慣性力ｆ_ｉｎｔが含まれる。特に、車両上で力を検出する場合には、車両運動に伴う慣性力の影響を受けるため、検出された力の精度が良好でないという問題がある。本実施の形態では、ステアリングホイールの加速度、角加速度、及び角速度を用いた慣性補償を行うことで、精度良くドライバの操作力を推定する。また、車両の姿勢角、車両の加速度、操舵角を検出することなく慣性補償を可能とする。

また、ステアリングホイールＢには、図３に示すように、加速度センサ１４として、３個の３軸並進加速度計Ｅ_ｉ（ｉ＝１，２，３）が設置されている。図４に、加速度センサ１４の詳細な構成例を示す。図４に示すように、本実施の形態の加速度センサ１４は、上記３個の３軸並進加速度計Ｅ_ｉを含んで構成される。本実施の形態では、上記図３に示すように、ステアリングホイールＢに固定された３個の３軸並進加速度計Ｅ_ｉを用いて、ステアリングホイールの複数箇所の各々における加速度を計測する。３軸並進加速度計を用いてステアリングホイールの加速度、角加速度、及び角速度を推定するためには、少なくとも３個の加速度計を１直線上に並ばないように取り付ける必要があり、上記図３における３軸並進加速度計の設置箇所はこの条件を満たす。なお、３軸並進加速度計Ｅ_ｉは重力加速度も検出できるものとする。

また、ステアリングホイールＢ上の点ｂを原点とするステアリング座標系をΣ_ｂ、６分力計１２内部の点ｄを原点として６分力計１２と同じ向きの６分力計座標系をΣ_ｄとする。ステアリング座標系及び６分力計座標系は、ステアリングホイールとともに移動する。原点ｂは、予め定められた位置の一例である。

６分力計１２によるグリップ部Ｃに作用する力及びトルクの検出によって、６分力計座標系Σ_ｄで表した６分力

が得られる。

加速度センサ１４の３個の３軸並進加速度計Ｅ_ｉは、ステアリングホイールＢ上の３軸並進加速度計Ｅ_ｉの設置箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度を検出する。また、上記図３に示すように、３軸並進加速度計Ｅ_ｉ内部の点ｐ_ｉ（ｉ＝１，２，３）を原点として、３軸並進加速度計Ｅ_ｉと同じ向きの加速度計座標系をΣ_ｉ（ｉ＝１，２，３）とする。

３軸並進加速度計Ｅ_ｉの加速度の検出により、加速度計座標系Σ_ｉで表した加速度

が得られる。

コンピュータ２０は、ＣＰＵと、ＲＡＭと、後述する各処理ルーチンを実行するためのプログラムを記憶したＲＯＭとを備え、機能的には次に示すように構成されている。コンピュータ２０は、上記図１に示すように、６分力計１２によって検出されたグリップ部Ｃに作用する力及びトルクと、加速度センサ１４によって検出されたステアリングホイールＢの複数箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度とを取得する情報取得部２２と、取得されたステアリングホイールＢの複数箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度に基づいて、ステアリングホイールＢの位置ｂの加速度、ステアリングホイールＢの角加速度、及びステアリングホイールＢの角速度を推定する加速度推定部２４と、加速度推定部２４によって推定されたステアリングホイールＢの位置ｂの加速度、ステアリングホイールＢの角加速度、及びステアリングホイールＢの角速度に基づいて、グリップ部Ｃに発生する慣性力を推定する慣性力推定部２６と、情報取得部２２によって取得された力及びトルクと、慣性力推定部２６によって推定された慣性力とに基づいて、ドライバがグリップ部Ｃに加えた力及びトルクを推定する操作力推定部２８とを備えている。

情報取得部２２は、６分力計１２によって検出されたグリップ部Ｃに作用する力及びトルクと、加速度センサ１４によって検出されたステアリングホイールＢの複数箇所の各々における加速度とを逐次取得する。

加速度推定部２４は、情報取得部２２によって取得されたステアリングホイールＢの複数箇所の各々における加速度ａ_ｉ（ｉ＝１，２，３）から、ステアリングホイールＢの位置ｂの加速度、ステアリングホイールＢの角加速度、及びステアリングホイールＢの角速度を推定する。

具体的には、加速度推定部２４は、ステアリングホイールＢの加速度の注目周波数、情報取得部２２によって検出されたステアリングホイールＢの複数箇所の各々における加速度のナイキスト周波数、及び選択条件として予め定められた推定精度に基づいて、予め定められた複数の推定方法から、選択条件としての推定精度を満たす推定方法を選択する。ステアリングホイールＢの位置ｂの加速度の注目周波数は、ステアリングホイールＢの加速度に含まれる振動周波数を表すステアリング振動周波数のうち、解析対象として注目したい周波数を表す。第１の実施の形態では、注目周波数は予め定められている。

そして、加速度推定部２４は、選択された推定方法に従って、情報取得部２２によって取得された複数の箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度ａ_ｉから、ステアリングホイールＢの位置ｂの加速度ａ_ｂ、ステアリングホイールＢの角加速度ω_ｂ ^・、及びステアリングホイールＢの角速度ω_ｂを推定する。

ここで、予め定められた複数の推定方法は、ステアリング振動周波数及びナイキスト周波数に対する推定精度が異なる複数の推定方法であり、かつ、ステアリングホイールＢの位置ｂの加速度、ステアリングホイールＢの角加速度、及びステアリングホイールＢの角速度を推定するためのものである。本実施の形態では、３つの推定方法から、推定精度を満たす推定方法を選択する場合を例に説明する。

以下、加速度推定部２４の詳細な処理を説明する。

（推定方法）
本実施の形態では、加速度センサ１４の３個の３軸並進加速度計Ｅ_ｉによって検出された加速度ａ_ｉから、ステアリングホイールＢの位置ｂの加速度、ステアリングホイールＢの角加速度、及びステアリングホイールＢの角速度を推定するアルゴリズムを用いる。まず、ステアリングホイールＢの位置ｂの加速度、ステアリングホイールＢの角加速度、及びステアリングホイールＢの角速度を推定するための複数の推定方法について説明する。本実施の形態では、上記図３に示すように、ステアリング座標系Σ_ｂで表したｐ_ｉの位置を

とし、ステアリング座標系Σ_ｂから加速度計座標系Σ_ｉへの方向余弦行列を

とする。

また、時刻ｔにおける３軸並進加速度計Ｅ_ｉの計測値を

とする。また、Σ_ｂで表したステアリングホイールＢの位置ｂの加速度を

とする。また、Σ_ｂで表したステアリングホイールＢの角加速度を

とする。また、Σ_ｂで表したステアリングホイールＢの角速度を

とする。

ステアリングホイールＢの運動により３軸並進加速度計Ｅ_ｉの計測値ａ_ｉ（ｔ）が得られた場合、ステアリングホイールＢの位置ｂの加速度ａ_ｂ（ｔ）及びステアリングホイールＢの角加速度ω_ｂ ^・（ｔ）は、以下の式（１）の関係を満たすように求められる。

ここで、上記式（１）の記号「〜」について説明する。例えば、ベクトル

を定義する。ここで、

はａのチルダマトリクスと呼ばれ

で定義される。同様に

となる。上記チルダマトリクスを用いて、ａとｂとの外積は

と表すことができる。

上記式（１）に含まれる角速度ω_ｂ（ｔ）は角加速度ω_ｂ ^・（ｔ）の数値積分により算出される。本実施の形態では、各種の数値積分法のうち、代表的な積分法である（ａ）オイラー法、（ｂ）後方オイラー法、及び（ｃ）台形法を用いる場合を例に説明する。

（ａ）オイラー法を用いた推定方法
まず、３種類の推定方法のうちオイラー法について説明する。３個の３軸並進加速度計の計測値ａ_１（ｔ），ａ_２（ｔ），ａ_３（ｔ）を考えると、上記式（１）に対し、

の関係を用いて、

の関係が成り立つ。ここで、時刻ｔにおけるステアリングホイールＢの角速度ω_ｂ（ｔ）をオイラー法

を用いて求める。なお、Δｔはサンプリング間隔である。これにより、時刻ｔにおいてω_ｂ（ｔ−Δｔ）、ω_ｂ ^・（ｔ−Δｔ）が既知であれば、上記式（２）は加速度ａ_ｂ（ｔ）および角加速度ω_ｂ ^・（ｔ）に対して線形となる。本実施の形態では、３個の３軸並進加速度計を用いるため、上記式（２）は６個の未知変数に対し９個の方程式となる。そこで、上記式（３）に示した

の一般化逆行列

を用いて、推定値

を次のように算出する。

以上、述べられた方法に従えば、時刻ｔ＝０から逐次的にステアリングホイールＢの位置ｂの加速度及びステアリングホイールＢの角加速度を推定できる。なお、上記式（６）には初期値が必要であるが、静止状態から計測を開始すれば

として本アルゴリズムに適用できる。

オイラー法は最も簡単な陽解法である。陽解法を用いる場合、上記式（２）を線形化でき、上記式（５）、（６）に示した簡単な計算により高速に推定値を求められる。

（ｂ）後方オイラー法を用いた推定方法
次に、３種類の推定方法のうち後方オイラー法について説明する。時刻ｔにおけるステアリングホイールＢの角速度の推定値＾ω_ｂ（ｔ）を、後方オイラー法

を用いて求める。このとき、上記式（２）は非線形方程式となるため、推定すべきステアリングホイールＢの位置ｂの加速度及びステアリングホイールＢの角加速度

は、目的関数Ｊ（ｔ）を

とした最小化問題により求める。さらに、オイラー法を用いる場合と同様に、時刻ｔ＝０から逐次的にステアリングホイールＢの位置ｂの加速度及びステアリングホイールＢの角加速度を推定できる。
後方オイラー法は最も簡単な陰解法である。陰解法を用いる場合には収束計算が必要となり、陽解法の場合と比較すると計算量が多い。

（ｃ）台形法を用いた推定方法
次に、３種類の推定方法のうち台形法について説明する。時刻ｔにおけるステアリングホイールＢの角速度の推定値＾ω_ｂ（ｔ）を、台形法（台形公式）

を用いて求める。このとき、後方オイラー法を用いる場合と同様に、推定すべき加速度および角加速度

は、目的関数Ｊ（ｔ）を上記式（８）とした最小化問題により得られる。さらに、同様に時刻ｔ＝０から逐次的にステアリングホイールＢの位置ｂの加速度及びステアリングホイールＢの角加速度を推定できる。

台形法は後方オイラー法よりも計算量が多い。しかしながら、台形法はオイラー法および後方オイラー法に比較して精度に優れる。

以上、３つの数値積分法を一般化すると、

と書ける。

は重み係数であり、γ＝０でオイラー法、γ＝１／２で台形法、γ＝１で後方オイラー法となる。γ＞０では陰解法となるため、（ｂ）、（ｃ）と同様に、上記式（８）の目的関数を用いた最小化問題により推定を行う。

（推定方法の選択）
次に、推定方法の選択について説明する。本実施の形態では、推定対象である、ステアリングホイールＢの位置ｂの加速度ａ_ｂ、ステアリングホイールＢの角加速度ω_ｂ ^・、及びステアリングホイールＢの角速度ω_ｂに対し要求する推定精度εと、加速度センサ１４によって検出された加速度ａ_ｉのナイキスト周波数ｆ_Ｎと、ステアリングホイールＢの位置ｂの加速度ａ_ｂ、ステアリングホイールＢの角加速度ω_ｂ ^・、及びステアリングホイールＢの角速度ω_ｂの注目周波数ｆ_ｖ’に基づいて、推定方法を選択する。

推定方法の選択には、図５及び図６に示すようなマップを用いる。図５は、ステアリング振動周波数ｆ_ｖ及びナイキスト周波数ｆ_Ｎの比ｆ_ｖ／ｆ_Ｎと推定誤差εとの関係を表すマップの一例である。また、図６は、ステアリング振動周波数ｆ_ｖ及びナイキスト周波数ｆ_Ｎの比ｆ_ｖ／ｆ_Ｎと計算時間との関係を表すマップの一例である。図５及び図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は推定方法の種類を示し、（ａ）オイラー法を用いた推定方法、（ｂ）後方オイラー法を用いた推定方法、及び（ｃ）台形法を用いた推定方法を表す。

上記図５及び上記図６に示すような予め生成されたマップに基づいて、例えば図５に示すように、ｆ_ｖ／ｆ_Ｎ＝αである場合に、ステアリングホイールＢの位置ｂの加速度ａ_ｂ、ステアリングホイールＢの角加速度ω_ｂ ^・、及びステアリングホイールＢの角速度ω_ｂを推定誤差ε［％］以内で推定したい場合、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は全て推定誤差ε［％］以内であるため、加速度推定部２４は、図６に示す計算時間が最も短い推定方法（ａ）を選択する。

一方、図５に示すように、ｆ_ｖ／ｆ_Ｎ＝βである場合に、推定誤差ε［％］以内で推定したい場合、条件を満たすのは（ｃ）のみであり、加速度推定部２４は、推定方法（ｃ）を選択する。

（マップの作成方法）
次に、推定精度ε、ナイキスト周波数ｆ_Ｎ、及び注目周波数ｆ_ｖ’に基づいて、推定方法を選択する際に用いるマップの作成方法を説明する。本実施の形態では、以下の手順（１）〜（４）によって、前述の推定アルゴリズムのシミュレーションを行い、マップを事前に作成する。

（１）まず、実車走行中におけるステアリングホイールの挙動を模擬したステアリング振動周波数ｆ_ｖのステアリング振動入力値

を与える。

例えば、ステアリング振動周波数ｆ_ｖを図７に示す５条件とする。

（２）ステアリングホイールが

で振動した際に、サンプリング周波数ｆ_ｓ（またはナイキスト周波数ｆ_Ｎ）の３軸並進加速度計により得られるであろう加速度ａ_ｉ（ｔ）を、上記式（１）により算出する。

（３）算出されたａ_ｉ（ｔ）を用いて前述の推定アルゴリズムにより推定値

を求める。

例えば、シミュレーションでは、図８に示す６条件で推定を行う。

（４）入力値

と推定値

とを比較した推定誤差と、加速度ａ_ｉ（ｔ）から、推定値

を推定する計算時間を求め、マップを作成する。

図９及び図１０にマップの例を示す。図９及び図１０は、横軸をステアリング振動周波数とナイキスト周波数との比ｆ_ｖ／ｆ_Ｎ、縦軸を推定誤差および計算時間としたグラフである。

慣性力推定部２６は、加速度推定部２４によって推定されたステアリングホイールＢの位置ｂの加速度ａ_ｂ、ステアリングホイールＢの角加速度ω_ｂ ^・、及びステアリングホイールＢの角速度ω_ｂに基づいて、グリップ部Ｃに発生する慣性力を推定する。

具体的には、慣性力推定部２６は、まず、加速度推定部２４によって推定されたステアリングホイールＢの位置ｂの加速度ａ_ｂ、ステアリングホイールＢの角加速度ω_ｂ ^・、及びステアリングホイールＢの角速度ω_ｂに基づいて、６分力計質量中心の加速度ａ_ｄ、６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角加速度ω_ｄ ^・、及び６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角速度ω_ｄを算出する。次に、慣性力推定部２６は、算出した６分力計質量中心の加速度ａ_ｄ、６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角加速度ω_ｄ ^・、６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角速度ω_ｄを用いて、原点ｄに作用する６分力計座標系Σ_ｄで表した慣性力を推定する。

（６分力計質量中心の加速度、角加速度、及び角速度の算出）
まず、６分力計質量中心の加速度ａ_ｄ、６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角加速度ω_ｄ ^・、及び６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角速度ω_ｄを算出する方法について具体的に説明する。

６分力計１２の質量中心点をｍ_ｃとし、また、ステアリング座標系Σ_ｂで表した点ｍ_ｃの位置を

とする。また、６分力計座標系Σ_ｄで表した点ｍ_ｃの位置を

とし、Σ_ｂからΣ_ｄへの方向余弦行列を

とする。

そして、慣性力推定部２６は、加速度推定部２４によって推定されたステアリングホイールＢの位置ｂの加速度ａ_ｂ、ステアリングホイールＢの角加速度ω_ｂ ^・、及びステアリングホイールＢの角速度ω_ｂを用いて、６分力計座標系Σ_ｄで表した６分力計質量中心ｍ_ｃの加速度

、６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角加速度

、６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角速度

を、以下の式（１２）に従って推定する。

なお、６分力計質量中心の加速度ａ_ｄ、６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角加速度ω_ｄ ^・、及び６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角速度ω_ｄを算出する手順は、加速度推定部２４による推定において、加速度センサ１４で検出した加速度から６分力計座標系Σ_ｄで表した６分力計質量中心点ｍ_ｃの加速度ａ_ｄ、６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角加速度ω_ｄ ^・、６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角速度ω_ｄを直接算出する場合には不要となる。しかし、本実施の形態のように、６分力計１２が複数存在する場合には、６分力計質量中心の加速度ａ_ｄ、６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角加速度ω_ｄ ^・、及び６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角速度ω_ｄを算出する手順が有用となる。

（慣性力の算出）
次に、算出された６分力計質量中心の加速度ａ_ｄ、６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角加速度ω_ｄ ^・、及び６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角速度ω_ｄに基づいて、慣性力を推定する方法について具体的に説明する。

６分力計座標系Σ_ｄで表した６分力計１２の有効質量マトリクスを

、質量中心まわりの慣性テンソルを

とする。ｍは有効質量、Ｉ_ｘｘ、Ｉ_ｙｙ、Ｉ_ｚｚは慣性モーメント、Ｉ_ｘｙ、Ｉ_ｙｚ、Ｉ_ｚｘは慣性乗積である。

慣性力推定部２６は、算出された、６分力計質量中心の加速度ａ_ｄ、６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角加速度ω_ｄ ^・、６分力計座標系Σ_ｄで表したステアリングホイールＢの角速度ω_ｄに基づいて、原点ｄに作用する６分力計座標系Σ_ｄで表した慣性力

を、以下の式（１３）に従って推定する。

操作力推定部２８は、情報取得部２２によって取得された力及びトルクと、慣性力推定部２６によって推定された慣性力とに基づいて、車両のドライバがグリップ部Ｃに加えた力及びトルクを推定する。

具体的には、操作力推定部２８は、情報取得部２２によって取得された６分力Ｆ_ｍｅｓから、慣性力推定部２６によって推定された慣性力Ｆ_ｉｎｔを、以下の式（１４）に示すように除去することで、ドライバがグリップ部Ｃに加えた力及びトルク

を得る。

そして、操作力推定部２８は、推定された力及びトルクを、ドライバによるステアリング操作力として出力する。

＜ステアリング状態推定装置の作用＞
次に、本発明の実施の形態に係るステアリング状態推定装置１０の作用について説明する。ステアリング状態推定装置１０を搭載した車両が走行しているときに、ステアリング状態推定装置１０の電源（図示せず）がオンされると、６分力計１２によってグリップ部Ｃに作用する力及びトルクが検出され、加速度センサ１４によってステアリングホイールＢの複数箇所の各々における加速度が検出される。そして、所定時間間隔（例えば、１ミリ秒間隔）毎に、図１１に示すステアリング状態推定処理ルーチンが実行される。

まず、ステップＳ１００において、情報取得部２２は、６分力計１２によって検出されたグリップ部Ｃに作用する力及びトルクを取得する。

次のステップＳ１０２において、情報取得部２２は、加速度センサ１４によって検出されたステアリングホイールＢの複数箇所の各々における加速度を逐次取得する。

次のステップＳ１０４において、加速度推定部２４は、ステアリングホイールＢの位置ｂの加速度の注目周波数、上記ステップＳ１０２で取得されたステアリングホイールＢの複数箇所の各々における加速度のナイキスト周波数、及び選択条件として予め定められた推定精度εに基づいて、（ａ）オイラー法を用いた推定方法、（ｂ）後方オイラー法を用いた推定方法、及び（ｃ）台形法を用いた推定方法から、選択条件としての推定精度εを満たす推定方法を選択する。そして、加速度推定部２４は、選択された推定方法に従って、上記ステップＳ１０２で取得された複数の箇所の各々における加速度ａ_ｉから、ステアリングホイールＢの位置ｂの加速度ａ_ｂ、ステアリングホイールＢの角加速度ω_ｂ ^・、及びステアリングホイールＢの角速度ω_ｂを推定する。

次のステップＳ１０６において、慣性力推定部２６は、上記ステップＳ１０４で推定されたステアリングホイールＢの位置ｂの加速度ａ_ｂ、ステアリングホイールＢの角加速度ω_ｂ ^・、及びステアリングホイールＢの角速度ω_ｂに基づいて、グリップ部Ｃに発生する慣性力を推定する。

次のステップＳ１０８において、操作力推定部２８は、上記ステップＳ１００で取得された力及びトルクと、上記ステップＳ１０６で推定された慣性力とに基づいて、車両のドライバがグリップ部Ｃに加えた力及びトルクを推定する。

ステップＳ１１０において、操作力推定部２８は、上記ステップＳ１０８で推定された車両のドライバがグリップ部Ｃに加えた力及びトルクを、ステアリング操作力として出力して、ステアリング状態推定処理ルーチンを終了する。

以上説明したように、第１の実施の形態に係るステアリング状態推定装置によれば、ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度の注目周波数、検出されたステアリングホイールの複数箇所の加速度のナイキスト周波数、及び選択条件として予め定められた推定精度に基づいて、注目周波数及びナイキスト周波数に対する推定精度が異なる複数の推定方法から、選択条件としての推定精度を満たす推定方法を選択し、選択された推定方法に従って、検出された複数の箇所の各々における加速度から、ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定することにより、推定精度及び計算時間を考慮して、ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定することができる。

また、推定されたステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度に基づいて、グリップ部に発生する慣性力を推定し、６分力計によって検出された力及びトルクと、推定された慣性力とに基づいて、ドライバがグリップ部に加えた力及びトルクを推定することにより、ステアリング操作力を精度よく推定することができる。

また、車両の姿勢角、車両の加速度、操舵角を検出することなく慣性補償が可能となる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態では、加速度センサ１４によって検出されたステアリングホイールの複数箇所の加速度に含まれる周波数成分に基づいて、注目周波数を決定する点が、第１の実施の形態と異なっている。

＜ステアリング状態推定装置２１０の構成＞
図１２に示すように、本発明の第２の実施の形態に係るステアリング状態推定装置２１０は、ステアリング状態推定装置２１０を搭載した車両のステアリングホイールに作用する力及びトルクを検出する６分力計１２と、ステアリングホイールの複数箇所の各々における加速度を検出する加速度センサ１４と、コンピュータ２２０とを備えている。

コンピュータ２２０は、ＣＰＵと、ＲＡＭと、後述する各処理ルーチンを実行するためのプログラムを記憶したＲＯＭとを備え、機能的には次に示すように構成されている。コンピュータ２２０は、上記図１２に示すように、情報取得部２２と、取得されたステアリングホイールＢの複数箇所の各々における加速度に基づいて、注目周波数を決定する注目周波数決定部２２３と、取得されたステアリングホイールＢの複数箇所の各々における加速度と、注目周波数決定部２２３によって決定された注目周波数とに基づいて、ステアリングホイールＢの位置ｂの加速度、ステアリングホイールＢの角加速度、及びステアリングホイールＢの角速度を推定する加速度推定部２２４と、加速度推定部２２４によって推定されたステアリングホイールＢの位置ｂの加速度、ステアリングホイールＢの角加速度、及びステアリングホイールＢの角速度に基づいて、グリップ部Ｃに発生する慣性力を推定する慣性力推定部２６と、操作力推定部２８とを備えている。注目周波数決定部２２３は、決定手段の一例である。

注目周波数決定部２２３は、情報取得部２２によって取得されたステアリングホイールの複数箇所の加速度に含まれる周波数成分に基づいて、注目周波数を決定する。

具体的には、注目周波数決定部２２３は、後述する加速度推定部２２４で用いる注目周波数ｆ_ｖ’を決定するために、情報取得部２２によって取得されたステアリングホイールの加速度ａ_ｉを用いて、以下に示す手順（１）〜（３）に従って、注目周波数ｆ_ｖ’を決定する。

（１）注目周波数決定部２２３は、加速度センサ１４の３軸並進加速度計Ｅ_ｉの計測値ａ_１ｘ（ｔ），ａ_１ｙ（ｔ），ａ_１ｚ（ｔ），ａ_２ｘ（ｔ），ａ_２ｙ（ｔ），ａ_２ｚ（ｔ），ａ_３ｘ（ｔ），ａ_３ｙ（ｔ），ａ_３ｚ（ｔ）［ｍ／ｓｅｃ^２］から、ＦＦＴ（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）を用いて、各計測値の周波数ｆごとのパワースペクトル密度Ｐ_１ｘ（ｆ），Ｐ_１ｙ（ｆ），Ｐ_１ｚ（ｆ），Ｐ_２ｘ（ｆ），Ｐ_２ｙ（ｆ），Ｐ_２ｚ（ｆ），Ｐ_３ｘ（ｆ），Ｐ_３ｙ（ｆ），Ｐ_３ｚ（ｆ）［（ｍ／ｓｅｃ^２）^２／Ｈｚ］を求める。

（２）次に、注目周波数決定部２２３は、上記手順（１）で求めたパワースペクトル密度を用いて、以下の式（１５）に従って、パワースペクトル密度Ｓ（ｆ）［（ｍ／ｓｅｃ^２）^２／Ｈｚ］を求める。

（３）そして、注目周波数決定部２２３は、パワースペクトル密度Ｓ（ｆ）［（ｍ／ｓｅｃ^２）^２／Ｈｚ］が最大となる周波数ｆを、注目周波数ｆ_ｖ’として決定する。

加速度推定部２２４は、注目周波数決定部２２３によって決定された注目周波数ｆ_ｖ’、加速度センサ１４によって検出された加速度のナイキスト周波数ｆ_Ｎ、及び選択条件として予め定められた推定精度εに基づいて、選択条件としての推定精度εを満たす推定方法を選択する。そして、加速度推定部２２４は、選択された推定方法に従って、情報取得部２２によって取得された複数の箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度ａ_ｉから、ステアリングホイールＢの位置ｂのａ_ｂ、ステアリングホイールＢの角加速度ω_ｂ ^・、及びステアリングホイールＢの角速度ω_ｂを推定する。

＜ステアリング状態推定装置の作用＞
次に、本発明の実施の形態に係るステアリング状態推定装置２１０の作用について説明する。ステアリング状態推定装置２１０を搭載した車両が走行しているときに、ステアリング状態推定装置２１０の電源（図示せず）がオンされると、６分力計１２によってグリップ部Ｃに作用する力及びトルクが検出され、加速度センサ１４によってステアリングホイールＢの複数箇所の各々における加速度が検出される。そして、所定時間間隔（例えば、１ミリ秒間隔）で、図１３に示すステアリング状態推定処理ルーチンが実行される。

まず、ステップＳ１００で、情報取得部２２は、６分力計１２によって検出されたグリップ部Ｃに作用する力及びトルクを取得する。

次のステップＳ１０２では、情報取得部２２は、加速度センサ１４によって検出されたステアリングホイールＢの複数箇所の各々における加速度を逐次取得する。

ステップＳ２０３において、注目周波数決定部２２３は、上記ステップＳ１０２で取得されたステアリングホイールＢの複数箇所の各々における加速度に含まれる周波数成分に基づいて、注目周波数を決定する。

次のステップＳ２０４では、加速度推定部２２４は、上記ステップＳ２０３で決定された注目周波数、上記ステップＳ１０２で取得されたステアリングホイールＢの複数箇所の各々における加速度のナイキスト周波数、及び選択条件として予め定められた推定精度εに基づいて、予め定められた複数の推定方法から、選択条件としての推定精度εを満たす推定方法を選択する。そして、加速度推定部２２４は、選択された推定方法に従って、上記ステップＳ１０２で取得された複数の箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度ａ_ｉから、ステアリングホイールＢの位置ｂの加速度ａ_ｂ、ステアリングホイールＢの角加速度ω_ｂ ^・、及びステアリングホイールＢの角速度ω_ｂを推定する。

次のステップＳ１０６では、慣性力推定部２６は、上記ステップＳ２０４で推定されたステアリングホイールＢの位置ｂの加速度ａ_ｂ、ステアリングホイールＢの角加速度ω_ｂ ^・、及びステアリングホイールＢの角速度ω_ｂに基づいて、グリップ部Ｃに発生する慣性力を推定する。

次のステップＳ１０８では、操作力推定部２８は、上記ステップＳ１００で取得された力及びトルクと、上記ステップＳ１０６で推定された慣性力とに基づいて、車両のドライバがグリップ部Ｃに加えた力及びトルクを推定する。

ステップＳ１１０では、操作力推定部２８は、推定された車両のドライバがグリップ部Ｃに加えた力及びトルクを、ステアリング操作力として出力して、ステアリング状態推定処理ルーチンを終了する。

以上説明したように、第２の実施の形態に係るステアリング状態推定装置によれば、検出されたステアリングホイールの複数箇所の加速度に含まれる周波数成分に基づいて、注目周波数を決定し、決定された注目周波数、検出された加速度のナイキスト周波数、及び選択条件として予め定められた推定精度に基づいて、注目周波数及びナイキスト周波数に対する推定精度が異なる複数の推定方法から、選択条件としての推定精度を満たす推定方法を選択し、選択された推定方法に従って、検出されたステアリングホイールの複数の箇所の各々における加速度から、ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定することにより、推定精度及び計算時間を考慮して、ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定することができる。

また、推定されたステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度に基づいて、グリップ部に発生する慣性力を推定し、６分力計によって検出された力及びトルクと、推定された慣性力とに基づいて、ドライバがグリップ部に加えた力及びトルクを推定することにより、ステアリング操作力を精度よく推定することができる。

なお、上記実施の形態では、推定されたステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度に基づいて、グリップ部に発生する慣性力を推定し、６分力計によって検出された力及びトルクと推定された慣性力とに基づいて、ドライバがグリップ部に加えた力及びトルクを推定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定する処理のみを行ってもよい。

また、上記実施の形態では、上記図２に示す位置に６分力計１２を配置した例について説明したが、上記図２に示す位置に配置しなくともよい。

また、上記実施の形態では、グリップ部Ｃが、それぞれ、いわゆる３時、９時の位置に配置された例について説明したが、本発明はこれに限られず、どのような位置であってもよい。

また、上記実施の形態では、上記図３に示す位置に３個の３軸並進加速度計Ｅ_ｉを設置する場合を例に説明したが、３個の３軸並進加速度計Ｅ_ｉの設置位置は、上記図３に示す位置に限定されない。

本発明のプログラムは、記憶媒体に格納して提供するようにしてもよい。

１０，２１０ ステアリング状態推定装置
１２ ６分力計
１４ 加速度センサ
２０，２２０ コンピュータ
２２ 情報取得部
２４，２２４ 加速度推定部
２６ 慣性力推定部
２８ 操作力推定部
２２３ 注目周波数決定部

Claims (5)

1. ステアリングホイールの複数箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度を検出する加速度検出手段と、
   前記ステアリングホイールの加速度の注目周波数、前記加速度検出手段によって検出された前記加速度のナイキスト周波数、及び選択条件として予め定められた推定精度に基づいて、前記加速度の注目周波数及び前記ナイキスト周波数に対する前記推定精度が異なる複数の推定方法であって、かつ、前記ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定するための予め定められた複数の推定方法から、前記選択条件としての推定精度を満たす前記推定方法を選択し、選択された前記推定方法に従って、前記加速度検出手段によって検出された前記複数の箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度から、前記ステアリングホイールの前記予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定する加速度推定手段と、
   を含むステアリング状態推定装置。
2. 前記加速度検出手段によって検出された前記ステアリングホイールの加速度に含まれる周波数成分に基づいて、前記加速度の注目周波数を決定する決定手段を更に含み、
   前記加速度推定手段は、前記決定手段によって決定された前記加速度の注目周波数、前記加速度検出手段によって検出された前記加速度のナイキスト周波数、及び前記選択条件として予め定められた推定精度に基づいて、前記選択条件としての推定精度を満たす前記推定方法を選択する
   請求項１に記載のステアリング状態推定装置。
3. 前記加速度推定手段は、前記加速度の注目周波数、前記加速度検出手段によって検出された前記加速度のナイキスト周波数、及び前記選択条件として予め定められた推定精度に基づいて、前記選択条件としての推定精度を満たし、かつ前記ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定する計算時間が最も短い前記推定方法を選択する
   請求項１又は請求項２に記載のステアリング状態推定装置。
4. 前記ステアリングホイールの予め定められた部分に作用する力及びトルクを検出する検出手段と、
   前記加速度推定手段によって推定された前記ステアリングホイールの前記予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度に基づいて、前記予め定められた部分に発生する慣性力を推定する慣性力推定手段と、
   前記検出手段によって検出された前記力及び前記トルクと、前記慣性力推定手段によって推定された前記慣性力とに基づいて、ドライバが前記予め定められた部分に加えた力及びトルクを推定する操作力推定手段と、
   を更に含む請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のステアリング状態推定装置。
5. コンピュータを、
   ステアリングホイールの複数箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度を検出する加速度検出手段によって検出された前記ステアリングホイールの加速度の注目周波数、前記加速度検出手段によって検出された前記加速度のナイキスト周波数、及び選択条件として予め定められた推定精度に基づいて、前記加速度の注目周波数及び前記ナイキスト周波数に対する前記推定精度が異なる複数の推定方法であって、かつ、前記ステアリングホイールの予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定するための予め定められた複数の推定方法から、前記選択条件としての推定精度を満たす前記推定方法を選択し、選択された前記推定方法に従って、前記加速度検出手段によって検出された前記複数の箇所の各々における、複数の軸方向の各々の加速度から、前記ステアリングホイールの前記予め定められた位置の加速度、角加速度、及び角速度を推定する加速度推定手段
   として機能させるためのプログラム。

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