JP6709516B2 - ハンドル操作状態判定装置 - Google Patents

Description

この発明は、ハンドル操作状態判定装置に関する。

下記特許文献１には、ハンドルの操作状態を判定する機能を備えたＥＣＵを含む電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ：Electric Power Steering System）が開示されている。特許文献１記載のＥＣＵは、操舵角センサによって検出される操舵角θｈの時間微分値ｄθｈ／ｄｔとトルクセンサによって検出されるトルクＴｐとの積を、ハンドルに対する仕事量Ｗとして演算し、この仕事量Ｗを用いてハンドルの操作状態を判定している。具体的には、ＥＣＵは、仕事量Ｗが所定の閾値Ｗ１（Ｗ１＞０）を正方向に超えた場合または仕事量Ｗが所定の閾値−Ｗ１を負方向に超えた場合に、運転者がハンドルを操舵している状態（実操舵状態）であると判定する。

また、ＥＣＵは、仕事量Ｗの絶対値が閾値Ｗ１以下であって、かつトルクＴｐの絶対値が所定の閾値Ｔｐ１（ＴＰ１＞０）以下である場合に、ハンドルの手放し状態であると判定する。また、ＥＣＵは、仕事量Ｗの絶対値が閾値Ｗ１以下であって、かつ操舵角θｈの絶対値が所定の閾値θｈ１（θｈ１＞０）以下である場合に、ハンドルの保舵状態であると判定する。

特開2004-175122号公報

特許文献１に記載の電動パワーステアリング装置では、実際のハンドル操作状態がハンドルの手放し状態のときに、路面から外力（負荷トルク）が入力されると、トルクＴｐおよび操舵角度に変化が生じるため、仕事量Ｗが発生する。このため、前記従来例では、ハンドルの手放し状態であっても、実操舵状態であると誤判定されるおそれがある。また、前記従来例では、実際のハンドル操作状態が実操舵状態であっても、ハンドルの切り替えし時には、仕事量が零を横切るため、この間、手放し状態であると誤判定されるおそれがある。

この発明の目的は、運転者がハンドルを握っているハンズオン状態であるか運転者がハンドルを握っていないハンズオフ状態（手放し状態）であるかを高精度に判定できるハンドル操作状態判定装置を提供することである。

請求項１に記載の発明は、ハンドル（２）が連結された入力軸（８）と、前記入力軸にトーションバー（１０）を介して連結された出力軸（９）と、前記出力軸に減速機構（１９）を介して連結された電動モータ（１８）とを含む車両用操舵装置（１）におけるハンドル操作状態判定装置（４２）であって、前記トーションバーに加えられているトーションバートルクを検出するためのトルク検出手段（１１）と、前記電動モータの回転角を検出する回転角検出手段（２５）と、前記トルク検出手段によって検出されるトーションバートルクおよび前記回転角検出手段によって検出される前記電動モータの回転角を少なくとも含む検出値を用いて、運転者によって前記ハンドルに加えられるドライバトルクを推定するドライバトルク推定オブザーバ（１０１，１０２）と、前記ドライバトルク推定オブザーバによって推定されるドライバトルクに基づいて、ハンズオン状態であるかハンズオフ状態であるかを判定するハンズオン／オフ判定手段（５３）とを含み、前記ドライバトルク推定オブザーバは、ステアリングホイール慣性、トーションバー剛性およびトーションバー粘性を含む１慣性系の物理モデルを用いて、ドライバトルクを推定するように構成されている、ハンドル操作状態判定装置である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。

この構成では、ドライバトルク推定オブザーバによって推定されたドライバトルクに基づいて、ハンズオン状態であるかハンズオフ状態であるかが判定されるので、ハンズオン状態であるかハンズオフ状態であるかを高精度に判定できるようになる。
請求項２に記載の発明は、前記減速機構は、前記電動モータによって回転駆動されるウォームギヤ（２０）と、前記出力軸に一体回転可能に連結されかつ前記ウォームギヤによって回転駆動されるウォームホイール（２１）とを含み、前記ドライバトルク推定オブザーバ（１０１）は、前記回転角検出手段によって検出される前記電動モータの回転角に基づいて演算される前記ウォームホイールの回転角および角速度と、前記トーションバートルクとからドライバトルクを推定するように構成されている、請求項１に記載のハンドル操作状態判定装置である。

請求項３に記載の発明は、前記電動モータに流れるモータ電流を検出する電流検出手段（３２）をさらに含み、前記ドライバトルク推定オブザーバ（１０２）は、前記電流検出手段によって検出される電流に基づいて演算される前記電動モータのモータトルクと、前記回転角検出手段によって検出される前記電動モータの回転角と、前記トーションバートルクとからドライバトルクを推定するように構成されている、請求項１に記載のハンドル操作状態判定装置である。

図１は、本発明の一実施形態に係るハンドル操作状態判定装置が適用された電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、ＥＣＵの電気的構成を示すブロック図である。 図３は、ハンドル操作状態判定部の電気的構成を示すブロック図である。 図４は、コラム式ＥＰＳの物理モデルの構成を示す模式図である。 図５は、ドライバトルク推定部の構成を示すブロック図である。 図６は、ハンズオン／オフ判定部の動作を説明するための状態遷移図である。 図７Ａは、舗装路に対する試験結果を示すグラフである。 図７Ｂは、悪路に対する試験結果を示すグラフである。 図８は、ドライバトルク推定部の他の構成例を示すブロック図である。

図１は、本発明の一実施形態に係るハンドル操作状態判定装置が適用された電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。
この電動パワーステアリング装置（車両用操舵装置）１は、コラム部に電動モータと減速機構とが配置されているコラムアシスト式電動パワーステアリング装置（以下、「コラム式ＥＰＳ」という）である。

コラム式ＥＰＳ１は、車両を操向するための操舵部材としてのステアリングホイール（ハンドル）２と、このステアリングホイール２の回転に連動して転舵輪３を転舵する転舵機構４と、運転者の操舵を補助するための操舵補助機構５とを備えている。ステアリングホイール２と転舵機構４とは、ステアリングシャフト６、第１のユニバーサルジョイント２８、中間軸７および第２のユニバーサルジョイント２９を介して機械的に連結されている。

ステアリングシャフト６は、ステアリングホイール２に連結された入力軸８と、第１のユニバーサルジョイント２８を介して中間軸７に連結された出力軸９とを含む。入力軸８と出力軸９とは、トーションバー１０を介して同一軸線上で相対回転可能に連結されている。すなわち、ステアリングホイール２が回転されると、入力軸８および出力軸９は、互いに相対回転しつつ同一方向に回転するようになっている。

ステアリングシャフト６の周囲には、トルクセンサ１１が設けられている。トルクセンサ１１は、入力軸８および出力軸９の相対回転変位量に基づいて、トーションバー１０に加えられているトーションバートルクＴｔｂを検出する。トルクセンサ１１によって検出されるトーションバートルクＴｔｂは、ＥＣＵ（電子制御ユニット：Electronic Control Unit）１２に入力される。

転舵機構４は、ピニオン軸１３と、転舵軸としてのラック軸１４とを含むラックアンドピニオン機構からなる。ラック軸１４の各端部には、タイロッド１５およびナックルアーム（図示略）を介して転舵輪３が連結されている。ピニオン軸１３は、第２のユニバーサルジョイント２９を介して中間軸７に連結されている。ピニオン軸１３は、ステアリングホイール２の操舵に連動して回転するようになっている。ピニオン軸１３の先端には、ピニオン１６が連結されている。

ラック軸１４は、自動車の左右方向（直進方向に直交する方向）に沿って直線状に延びている。ラック軸１４の軸方向の中間部には、ピニオン１６に噛み合うラック１７が形成されている。このピニオン１６およびラック１７によって、ピニオン軸１３の回転がラック軸１４の軸方向移動に変換される。ラック軸１４を軸方向に移動させることによって、転舵輪３を転舵することができる。

ステアリングホイール２が操舵（回転）されると、この回転が、ステアリングシャフト６および中間軸７を介して、ピニオン軸１３に伝達される。そして、ピニオン軸１３の回転は、ピニオン１６およびラック１７によって、ラック軸１４の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪３が転舵される。
操舵補助機構５は、操舵補助力を発生するための電動モータ１８と、電動モータ１８の出力トルクを増幅して転舵機構４に伝達するための減速機構１９とを含む。この実施形態では、電動モータ１８は、三相ブラシレスモータである。減速機構１９は、ウォームギヤ２０と、このウォームギヤ２０と噛み合うウォームホイール２１とを含むウォームギヤ機構からなる。減速機構１９は、伝達機構ハウジングとしてのギヤハウジング２２内に収容されている。以下において、減速機構１９の減速比（ギヤ比）をＮで表す場合がある。減速比Ｎは、ウォームホイール２１の角速度ωｗｗに対するウォームギヤ２０の角速度ωｗｇの比ωｗｇ／ωｗｗとして定義される。

ウォームギヤ２０は、電動モータ１８によって回転駆動される。また、ウォームホイール２１は、出力軸９に一体回転可能に連結されている。ウォームホイール２１は、ウォームギヤ２０によって回転駆動される。
運転者がステアリングホイール２を操舵することによって、電動モータ１８によってウォームギヤ２０が回転駆動される。これにより、ウォームホイール２１が回転駆動され、ステアリングシャフト６にモータトルクが付与されるとともにステアリングシャフト６（出力軸９）が回転する。そして、ステアリングシャフト６の回転は、中間軸７を介してピニオン軸１３に伝達される。ピニオン軸１３の回転は、ラック軸１４の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪３が転舵される。すなわち、電動モータ１８によってウォームギヤ２０を回転駆動することによって、電動モータ１８による操舵補助が可能となっている。

減速機構１９に加えられるトルクとしては、電動モータ１８によるモータトルクと、モータトルク以外の外部トルクとがある。モータトルク以外の外部トルクには、運転者によってステアリングホイール２に加えられるドライバトルクＴｓｗと、転舵輪３側からラック軸１４（減速機構１９）に加えられる負荷トルク（ロード負荷）とが含まれる。
電動モータ１８のロータの回転角（ロータ回転角）は、レゾルバ等の回転角センサ２５によって検出される。また、車速は車速センサ２６によって検出される。回転角センサ２５の出力信号および車速センサ２６によって検出される車速Ｖは、ＥＣＵ１２に入力される。電動モータ１８は、ＥＣＵ１２によって制御される。

図２は、ＥＣＵ１２の電気的構成を示す概略図である。
ＥＣＵ１２は、マイクロコンピュータ４０と、マイクロコンピュータ４０によって制御され、電動モータ１８に電力を供給する駆動回路（３相インバータ回路）３１と、電動モータ１８に流れる電流（以下、「モータ電流」という）を検出するための電流検出部３２とを備えている。

マイクロコンピュータ４０は、ＣＰＵおよびメモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリなど）を備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、モータ制御部４１と、ハンドル操作状態判定部４２とを含む。
モータ制御部４１は、車速センサ２６によって検出される車速Ｖ、トルクセンサ１１によって検出されるトーションバートルクＴｔｂ、回転角センサ２５の出力に基づいて演算される電動モータ１８の回転角および電流検出回路３３によって検出されるモータ電流に基づいて、駆動回路３１を駆動制御することによって、操舵状況に応じた適切な操舵補助を実現する。

具体的には、モータ制御部４１は、トーションバートルクＴｔｂおよび車速Ｖに基づいて、電動モータ１８に流れるモータ電流の目標値である電流指令値を設定する。電流指令値は、操舵状況に応じた操舵補助力（アシストトルク）の目標値に対応している。そして、モータ制御部４１は、電流検出回路３３によって検出されるモータ電流が電流指令値に近づくように、駆動回路３１を駆動制御する。

ハンドル操作状態判定部４２は、トルクセンサ１１によって検出されるトーションバートルクＴｔｂおよび回転角センサ２５の出力に基づいて演算される電動モータ１８の回転角に基づいて、運転者がハンドルを握っているハンズオン状態であるか運転者がハンドルを握っていないハンズオフ状態（手放し状態）であるかを判定する。
図３は、ハンドル操作状態判定部４２の電気的構成を示すブロック図である。

ハンドル操作状態判定部４２は、ドライバトルク推定部５１と、ローパスフィルタ５２と、ハンズオン／オフ判定部５３とを含む。ドライバトルク推定部５１は、回転角センサ２５の出力信号とトルクセンサ１１によって検出されるトーションバートルクＴｔｂとに基づいて、ドライバトルクＴｓｗを推定する。ローパスフィルタ５２は、ドライバトルク推定部５１によって推定されたドライバトルクＴｓｗに対してローパスフィルタ処理を行う。ハンズオン／オフ判定部５３は、ローパスフィルタ５２によるローパスフィルタ処理後のドライバトルクＴｓｗ’に基づいて、ハンズオン状態かハンズオフ状態かを判定する。以下、これらについて説明する。

ドライバトルク推定部５１は、コラム式ＥＰＳの物理モデルを使用して、運転者によってステアリングホイール２に加えられるドライバトルクＴｓｗを推定する。
図４は、コラム式ＥＰＳの物理モデルの構成を示す模式図である。図４の全体は、コラム式ＥＰＳの２慣性系モデルＭ２を表している。図４の鎖線で示される部分は、コラム式ＥＰＳの１慣性系モデルＭ１を表している
１慣性系モデルＭ１は、ステアリングホイール（ハンドル）を含む。ステアリングホイールには、ドライバトルク（ステアリングホイールトルク）Ｔｓｗが入力する。

２慣性系モデルＭ２は、ステアリングホイールとロアーコラムとを含む。ロアーコラムは、アシストモータ、ウォームギヤおよびウォームホイールを含む。ウォームギヤおよびウォームホイールによって減速機構が構成されている。ステアリングホイールには、ドライバトルクＴｓｗが入力する。ロアーコラムには、モータトルクＴｍｓに減速機構の減速比Ｎを乗算した値Ｎ・Ｔｍｓに相当するトルクと、転舵輪側からロアーコラムに加えられる負荷トルクＴｌｓとが入力する。

図４における各符号の意味は次の通りである。
Ｊｓｗ：ステアリングホイール慣性
Ｔｓｗ：ドライバトルク
Ｔｔｂ：トーションバートルク
ｋｔｂ：トーションバー剛性
ｃｔｂ：トーションバー粘性
Ｎ：減速比
θｓｗ：ステアリングホイール角度
ｄθｓｗ／ｄｔ：ステアリングホイール角速度
Ｊｅｇ：ロアコラム慣性
θｗｗ：ウォームホイール角度
ｄθｗｗ／ｄｔ：ウォームホイール角速度
Ｔｌｓ：負荷トルク（逆入力トルク）
この実施形態では、ドライバトルク推定部５１は、１慣性系モデルＭ１を使用し、ドライバトルク推定オブザーバ（外乱オブザーバ，拡張外乱オブザーバ）を用いてドライバトルクＴｓｗを推定する。

１慣性系モデルＭ１のステアリングホイール慣性についての運動方程式は、次式(1)で表される。

ｄ^２θｓｗ／ｄｔ^２は、ステアリングホイールの加速度である。
１慣性系モデルＭ１に対する状態方程式は、次式(2)で表わすことができる。

前記式(2)において、^ｘｅ（ハット付きのｘｅ）は、状態変数ベクトルであり、次式(3)で表される。

前記式(2)において、ｕ１は、入力ベクトルであり、次式(4)で表される。

前記式(2)において、ｙは、出力ベクトル（測定値）であり、次式(5)で表される。前記式(2)において、^ｙは、出力ベクトル推定値である。

前記式(2)において、Ａｅは、システム行列であり、次式(6)で表される。

前記式(2)において、Ｂｅは、入力行列であり、次式(7)で表される。

前記式(2)において、Ｌｅは、オブザーバゲイン行列であり、次式(8)で表される。

前記(8)において、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３は、オブザーバゲインであり、予め設定される。
前記式(2)において、Ｃｅは、出力行列であり、次式(9)で表される。

前記式(2)において、Ｄｅは、直達行列であり、次式(10)で表される。

ドライバトルク推定部５１は、前記式(2)で表される状態方程式に基づいて状態変数ベクトル^ｘｅを演算する。これにより、ドライバトルクの推定値Ｔｓｗが得られる。
図５は、ドライバトルク推定部５１の構成を示すブロック図である。

ドライバトルク推定部５１は、ウォームホイール角度演算部（θｗｗ演算部）６１と、ウォームホイール角速度演算部６２と、ドライバトルク推定オブザーバ１０１とを含む。ドライバトルク推定オブザーバ１０１は、入力ベクトル入力部６３と、直達行列乗算器６４と、出力行列乗算器６５と、第１加算器６６と、ゲイン乗算器６７と、入力行列乗算器６８と、システム行列乗算器６９と、第２加算器７０と、積分器７１と、状態変数ベクトル出力部７２とを含む。

ウォームホイール角度演算部６１は、回転角センサ２５の出力信号に基づいて、電動モータ１８の出力軸の回転角（以下、「ロータ回転角θｍ」という。）を演算し、得られロータ回転角θｍに基づいて、ウォームホイール２１の回転角（ウォームホイール角度）θｗｗを演算する。具体的には、ロータ回転角θｍを減速機構１９の減速比Ｎで除算することにより、ウォームホイール角度θｗｗを演算する。

ウォームホイール角速度演算部６２は、ウォームホイール角度演算部６１によって演算されるウォームホイール角度θｗｗを時間微分することにより、ウォームホイール角速度ｄθｗｗ／ｄｔを演算する。
ドライバトルク推定オブザーバ１０１は、ウォームホイール角度演算部６１によって演算されるウォームホイール角度θｗｗと、ウォームホイール角速度演算部６２によって演算されるウォームホイール角速度ｄθｗｗ／ｄｔと、トルクセンサ１１によって検出されるトーションバートルクＴｔｂとから、ドライバトルクＴｓｗを推定する。

ウォームホイール角度演算部６１によって演算されるウォームホイール角度θｗｗおよびウォームホイール角速度演算部６２によって演算されるウォームホイール角速度ｄθｗｗ／ｄｔは、入力ベクトル入力部６３に与えられる。入力ベクトル入力部６３は、入力ベクトルｕ１（前記式(4)参照）を出力する。
積分器７１の出力が状態変数ベクトル^ｘｅ（前記式(3)参照）となる。演算開始時には、状態変数ベクトル^ｘｅとして初期値が与えられる。状態変数ベクトル^ｘｅの初期値は、たとえば０である。

システム行列乗算器６９は、状態変数ベクトル^ｘｅにシステム行列Ａｅを乗算する。
出力行列乗算器６５は、状態変数ベクトル^ｘｅに出力行列Ｃｅ（前記式(9)参照）を乗算する。直達行列乗算器６４は、入力ベクトル入力部６３から出力される入力ベクトルｕ１に直達行列Ｄｅ（前記式(10)参照）を乗算する。
第１加算器６６は、トルクセンサ１１によって検出されるトーションバートルクＴｔｂである出力ベクトル（測定値）ｙから、出力行列乗算器６５の出力(Ｃｅ・^ｘｅ)および直達行列乗算器６４の出力（Ｄｅ・ｕ１）を減算する。つまり、第１加算器６６は、出力ベクトルｙと出力ベクトル推定値^ｙ(＝Ｃｅ・^ｘｅ＋Ｄｅ・ｕ１）との差（ｙ−＾ｙ）を演算する。ゲイン乗算器６７は、第１加算器６６の出力（ｙ−＾ｙ）にオブザーバゲインＬｅ（前記式(8)参照）を乗算する。

入力行列乗算器６８は、入力ベクトル入力部６３から出力される入力ベクトルｕ１に入力行列Ｂｅ（前記式(7)参照）を乗算する。第２加算器７０は、入力行列乗算器６８の出力（Ｂｅ・ｕ１）と、システム行列乗算器６９の出力（Ａｅ・^ｘｅ）と、ゲイン乗算器６７の出力（Ｌｅ（ｙ−＾ｙ））とを加算することにより、状態変数ベクトルの微分値ｄ^ｘｅ／ｄｔを演算する。積分器７１は、第２加算器７０の出力（ｄ^ｘｅ／ｄｔ）を積分することにより、状態変数ベクトル^ｘｅを演算する。状態変数ベクトル出力部７２は、状態変数ベクトル^ｘｅに基づいて、ステアリングホイール角度（推定値）θｓｗ、ステアリングホイール角速度（推定値）ｄθｓｗ／ｄｔおよびドライバトルク（推定値）Ｔｓｗを出力する。状態変数ベクトル出力部７２から出力されるドライバトルク（推定値）Ｔｓｗは、ローパスフィルタ５２（図３参照）に与えられる。

図３に戻り、ローパスフィルタ５２は、ドライバトルク推定部５１からドライバトルクＴｓｗのうち、所定のカットオフ周波数ｆｃより高い周波数成分を減衰させる。ローパスフィルタ５２は、この実施形態では、２次のバターワースフィルタからなる。ローパスフィルタ５２によるローパスフィルタ処理後のドライバトルクＴｓｗ’は、ハンズオン／オフ判定部５３に与えられる。

図６は、ハンズオン／オフ判定部５３の動作を説明するための状態遷移図である。
ハンズオン／オフ判定部５３の動作説明においては、ローパスフィルタ５２によるローパスフィルタ処理後のドライバトルクＴｓｗを、単に「ドライバトルクＴｓｗ’」ということにする。
ハンズオン／オフ判定部５３は、ドライバのハンドル操作状態として、「閾値より上のハンズオン状態（ＳＴ１）」と、「閾値以下のハンズオン状態（ＳＴ２）」と、「閾値以下のハンズオフ状態（ＳＴ３）」と、「閾値より上のハンズオフ状態（ＳＴ４）」との４状態を識別する。

「閾値より上のハンズオン状態（ＳＴ１）」は、ドライバトルクＴｓｗ’の絶対値が所定の閾値α（＞０）より大きいハンズオン状態である。「閾値以下のハンズオン状態（ＳＴ２）」は、ドライバトルクＴｓｗ’の絶対値が閾値α以下であるハンズオン状態である。「閾値以下のハンズオフ状態（ＳＴ３）」は、ドライバトルクＴｓｗ’の絶対値が閾値α以下であるハンズオフ状態である。閾値より上のハンズオフ状態（ＳＴ４）」は、ドライバトルクＴｓｗ’の絶対値が閾値αより大きいハンズオフ状態である。「閾値αは、たとえば、０．１［Ｎｍ］以上０．３［Ｎｍ］以下の範囲内の値に設定される。

演算開始時において、ドライバトルクＴｓｗ’の絶対値が閾値αよりも大きいときには、ハンズオン／オフ判定部５３は、ハンドル操作状態が「閾値より上のハンズオン状態（ＳＴ１）」であると判定する。そして、ハンズオン／オフ判定部５３は、出力信号（ｏｕｔ）を“１”に設定するとともにタイムカウンタ値ｈｏｄ_ｔｉｍｅｒを０に設定する。出力信号（ｏｕｔ）は、判定結果を表す信号であり、“１”は判定結果がハンズオンであることを表し、“０”は判定結果がハンズオフであることを表す。

「閾値より上のハンズオン状態（ＳＴ１）」において、ドライバトルクＴｓｗ’の絶対値が閾値α以下になると、ハンズオン／オフ判定部５３は、ハンドル操作状態が「閾値以下のハンズオン状態（ＳＴ２）」になったと判定する。そして、ハンズオン／オフ判定部５３は、出力信号（ｏｕｔ）を“１”に設定する。また、ハンズオン／オフ判定部５３は、「閾値以下のハンズオン状態（ＳＴ２）」であると判定している場合には、所定時間Ｔｓ［ｓｅｃ］が経過する毎に、タイムカウンタ値ｈｏｄ_ｔｉｍｅｒを、現在値（ｈｏｄ_ｔｉｍｅｒ）にＴｓを加算した値に更新する。

「閾値以下のハンズオン状態（ＳＴ２）」において、タイムカウンタ値ｈｏｄ_ｔｉｍｅｒが所定のハンズオフ判定用閾値β（＞０）に達する前に、ドライバトルクＴｓｗ’の絶対値が閾値αよりも大きくなると、ハンズオン／オフ判定部５３は、ハンドル操作状態が「閾値より上のハンズオン状態（ＳＴ１）」になったと判定し、タイムカウンタ値ｈｏｄ_ｔｉｍｅｒを０に設定する。

「閾値以下のハンズオン状態（ＳＴ２）」において、ドライバトルクＴｓｗ’の絶対値が閾値αよりも大きくなることなく、タイムカウンタ値ｈｏｄ_ｔｉｍｅｒがハンズオフ判定用閾値βに達すると、ハンズオン／オフ判定部５３は、ハンドル操作状態が「閾値以下のハンズオフ状態（ＳＴ３）」になったと判定する。そして、ハンズオン／オフ判定部５３は、出力信号（ｏｕｔ）を“０”に設定するとともにタイムカウンタ値ｈｏｄ_ｔｉｍｅｒを０に設定する。ハンズオフ判定用閾値βは、たとえば、０．５［ｓｅｃ］以上１．０［ｓｅｃ］以下の範囲内の値に設定される。

「閾値以下のハンズオフ状態（ＳＴ３）」において、ドライバトルクＴｓｗ’の絶対値が閾値αよりも大きくなると、ハンズオン／オフ判定部５３は、ハンドル操作状態が「閾値より上のハンズオフ状態（ＳＴ４）」になったと判定する。そして、ハンズオン／オフ判定部５３は、出力信号（ｏｕｔ）を“０”に設定する。また、ハンズオン／オフ判定部５３は、「閾値より上のハンズオフ状態（ＳＴ４）」であると判定している場合には、所定時間Ｔｓ［ｓｅｃ］が経過する毎に、タイムカウンタ値ｈｏｄ_ｔｉｍｅｒを、現在値（ｈｏｄ_ｔｉｍｅｒ）にＴｓを加算した値に更新する。

「閾値より上のハンズオフ状態（ＳＴ４）」において、タイムカウンタ値ｈｏｄ_ｔｉｍｅｒが所定のハンズオン判定用閾値γ（＞０）に達する前に、ドライバトルクＴｓｗ’の絶対値が閾値α以下になると、ハンズオン／オフ判定部５３は、ハンドル操作状態が「閾値以下のハンズオフ状態（ＳＴ３）」になったと判定し、タイムカウンタ値ｈｏｄ_ｔｉｍｅｒを０に設定する。ハンズオン判定用閾値γは、たとえば、０．０５［ｓｅｃ］以上０．１［ｓｅｃ］以下の範囲内の値に設定される。

「閾値より上のハンズオフ状態（ＳＴ４）」において、ドライバトルクＴｓｗ’の絶対値が閾値α以下になることなく、タイムカウンタ値ｈｏｄ_ｔｉｍｅｒがハンズオン判定用閾値γに達すると、ハンズオン／オフ判定部５３は、ハンドル操作状態が「閾値より上のハンズオン状態（ＳＴ１）」になったと判定する。そして、ハンズオン／オフ判定部５３は、出力信号（ｏｕｔ）を“１”に設定するとともにタイムカウンタ値ｈｏｄ_ｔｉｍｅｒを０に設定する。

なお、演算開始時において、ドライバトルクＴｓｗ’の絶対値が閾値α以下であるときには、ハンズオン／オフ判定部５３は、ハンドル操作状態が「閾値以下のハンズオフ状態（ＳＴ３）」であると判定する。そして、ハンズオン／オフ判定部５３は、出力信号（ｏｕｔ）を“０”に設定するとともにタイムカウンタ値ｈｏｄ_ｔｉｍｅｒを０に設定する。

この実施形態では、ドライバトルク推定オブザーバ（外乱オブザーバ、拡張外乱オブザーバ）を用いてドライバトルクＴｓｗが推定される。そして、推定されたドライバトルクＴｓｗの高周波数成分が除去される。この高周波数成分除去後のドライバトルクＴｓｗ’に基づき、トルク閾値αとタイムカウンタ値ｈｏｄ_ｔｉｍｅｒとを用いてハンズオン／オフ判定が行われる。このため、運転者がハンドルを握っているハンズオン状態であるか運転者がハンドルを握っていないハンズオフ状態であるかを高精度に判定できる。

ハンズオン／オフ判定結果は、たとえば、運転モードとして自動運転モードと手動運転モードとが用意されている車両において、運転モードを自動運転モードから手動運転モードに切り替える際に、ハンズオン状態であることを確認してから、手動運転モードに切り替えるといったモード切替制御に利用することができる。
ローパスフィルタ５２のカットオフ周波数の判定精度への影響について調べた。具体的には、舗装路において、車両を車速２０［ｋｍ／ｈ］で走行させ、ハンドルが中立位置のときにトルクセンサ１１によって検出されるトーションバートルクＴｔｂを時系列に測定した。このような測定を、ハンズオン状態およびハンズオフ状態のそれぞれについて行った。また、悪路（石畳路）において、車両を車速２０［ｋｍ／ｈ］で走行させ、ハンドルが中立位置のときにトルクセンサ１１によって検出されるトーションバートルクＴｔｂを時系列に測定した。このような測定を、ハンズオン状態およびハンズオフ状態のそれぞれについて行った。

この実験は、ローパスフィルタ５２のカットオフ周波数の影響を調べることが目的であるので、取得したトーションバートルクＴｔｂの時系列データをドライバトルクと見做した。取得したトーションバートルクＴｔｂの時系列データに対して、カットオフ周波数が異なる複数種類のローパスフィルタを用いて、ローパスフィルタ処理を行った。そして、任意の閾値を設定して、ローパスフィルタ処理後の時系列データの値が閾値以上の場合をハンズオン、閾値よりも小さい場合にハンズオフと判定した。

閾値を零から十分に大きな値まで変化させたときの偽陽性率と真陽性率とを計算した。ここで、「偽陽性率」とは、実際にハンズオフである事象に対して、ハンドル操作状態判定部がハンズオン状態であると誤判定した割合［％］をいう。「真陽性率」とは、実際にハンズオンである事象に対して、ハンドル操作状態判定部も正しくハンズオン状態であると判定した割合［％］をいう。このよう計算を、ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃが、１［Ｈｚ］、３［Ｈｚ］、５［Ｈｚ］、７［Ｈｚ］および９［Ｈｚ］である場合のそれぞれについて行った。

図７Ａは、舗装路に対する試験結果を示すグラフである。図７Ｂは、悪路に対する試験結果を示すグラフである。図７Ａおよび図７Ｂでは、横軸に偽陽性率がとられ、縦軸に真陽性率がとられている。図７Ａおよび図７Ｂの各曲線は、カットオフ周波数別の試験結果を示している。図７Ａおよび図７Ｂの各曲線は、閾値毎に、計算された偽陽性率および真陽性率に対応する点をプロットすることにより得られた曲線である。

たとえば、閾値が零の場合には（各グラフの右端の点）、ハンズオン時に常にハンズオンであると判定され、ハンズオフ時に常にハンズオンと判定される。つまり、真陽性率および偽陽性率は共に１００％となる。逆に、閾値が常にドライバトルク（この実験ではトーションバートルクＴｔｂ）よりも大きい場合には（各グラフの左端の点）、ハンズオン時に常にハンズオフであると判定され、ハンズオフ時に常にハンズオフと判定される。つまり、真陽性率および偽陽性率は共に０％となる。

ハンドル操作状態判定部の判定精度が最も低い場合には、グラフは４５度の傾きとなり、真陽性率と偽陽性率とが等しくなる（１／２の確率で誤判定が発生する）。一方、ハンドル操作状態判定部の判定精度が最も高い場合には、グラフはＹ軸（縦軸）に沿って立ち上がり、Ｙ軸値が１００％に漸近したままＸ軸（横軸）方向に延びていく。
図７Ａおよび図７Ｂから、ハンドル操作状態判定部の判定精度は、舗装路に比べて悪路の方が低下していることがわかる。また、いずれの路面状況においても、ローパスフィルタのカットオフ周波数が低いほどハンドル操作状態判定部の判定精度が高くなることがわかる。しかしながら、ローパスフィルタのカットオフ周波数を低くすると、ハンズオン／オフ判定の応答性が悪くなる。このような観点から、ローパスフィルタのカットオフ周波数としては、３［Ｈｚ］以上７［Ｈｚ］以下が好ましく、４［Ｈｚ］以上６［Ｈｚ］以下がより好ましく、５［Ｈｚ］が最も好ましい。この実施形態では、ローパスフィルタ５２のカットオフ周波数は、５［Ｈｚ］に設定されている。

以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、ドライバトルク推定部５１は、１慣性系モデルＭ１を使用し、ドライバトルク推定オブザーバを用いてドライバトルクＴｓｗを推定している。しかし、ドライバトルク推定部は、図４に示される２慣性系モデルＭ２を使用し、ドライバトルク推定オブザーバを用いてドライバトルクＴｓｗを推定するようにしてもよい。このようなドライバトルク推定部５１Ａについて詳しく説明する。

２慣性系モデルＭ２に対する状態方程式は、次式(11)で表わすことができる。

前記式(11)において、^ｘｅ（ハット付きのｘｅ）は、状態変数ベクトルであり、次式(12)で表される。

前記式(11)において、ｕ１は、入力ベクトルであり、次式(13)で表される。

前記式(11)において、ｙは、出力ベクトル（測定値）であり、次式(14)で表される。前記式(11)において、^ｙは、出力ベクトル推定値である。

前記式(11)において、Ａｅは、システム行列であり、次式(15)で表される。

前記式(11)において、Ｂｅは、入力行列であり、次式(16)で表される。

前記式(11)において、Ｌｅは、オブザーバゲイン行列であり、次式(17)で表される。

前記(17)において、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６は、オブザーバゲインであり、予め設定される。
前記式(11)において、Ｃｅは、出力行列であり、次式(18)で表される。

ドライバトルク推定部５１Ａは、前記式(11)で表される状態方程式に基づいて状態変数ベクトル^ｘｅを演算する。これにより、ドライバトルクの推定値Ｔｓｗが得られる。
図８は、ドライバトルク推定部５１Ａの構成を示すブロック図である。

ドライバトルク推定部５１Ａは、モータトルク演算部８１と、ロータ角演算部８２と、ドライバトルク推定オブザーバ１０２とを含む。ドライバトルク推定オブザーバ１０２は、出力ベクトル入力部８３と、出力行列乗算器８４と、第１加算器８５と、ゲイン乗算器８６と、入力行列乗算器８７と、システム行列乗算器８８と、第２加算器８９と、積分器９０と、状態変数ベクトル出力部９１とを含む。

モータトルク演算部８１は、電流検出回路３３によって検出されるモータ電流に電動モータ１８のトルク係数を乗算することにより、電動モータ１８から発生しているモータトルクＴｍｓを演算する。ロータ角演算部８２は、回転角センサ２５の出力信号に基づいて、電動モータ１８の出力軸の回転角（以下、「ロータ回転角θｍ」という。）を演算する。

ドライバトルク推定オブザーバ１０２は、モータトルク演算部８１によって演算されるモータトルクＴｍｓと、ロータ角演算部８２によって演算されるロータ回転角θｍと、トルクセンサ１１によって検出されるトーションバートルクＴｔｂとから、ドライバトルクＴｓｗを推定する。
ロータ角演算部８２によって演算されるロータ回転角θｍおよびトルクセンサ１１によって検出されるトーションバートルクＴｔｂは、出力ベクトル入力部８３に与えられる。出力ベクトル入力部８３は、出力ベクトルｙ（前記式(１4)参照）を出力する。

積分器９０の出力が状態変数ベクトル^ｘｅ（前記式(12)参照）となる。演算開始時には、状態変数ベクトル^ｘｅとして初期値が与えられる。状態変数ベクトル^ｘｅの初期値は、たとえば０である。
システム行列乗算器８８は、状態変数ベクトル^ｘｅにシステム行列Ａｅ（前記式(15)参照）を乗算する。

出力行列乗算器８４は、状態変数ベクトル^ｘｅに出力行列Ｃｅ（前記式(18)参照）を乗算する。
第１加算器８５は出力ベクトルｙから、出力行列乗算器８４の出力(Ｃｅ・^ｘｅ)を減算する。つまり、第１加算器８５は、出力ベクトルｙと出力ベクトル推定値^ｙ(＝Ｃｅ・^ｘｅ）との差（ｙ−＾ｙ）を演算する。ゲイン乗算器８６は、第１加算器８５の出力（ｙ−＾ｙ）にオブザーバゲインＬｅ（前記式(17)参照）を乗算する。

入力行列乗算器８７は、モータトルク演算部８１によって演算されるモータトルクＴｍｓ（入力ベクトルｕ１）に入力行列Ｂｅ（前記式(16)参照）を乗算する。第２加算器８９は、入力行列乗算器８７の出力（Ｂｅ・ｕ１）と、システム行列乗算器８８の出力（Ａｅ・^ｘｅ）と、ゲイン乗算器８６の出力（Ｌｅ（ｙ−＾ｙ））とを加算することにより、状態変数ベクトルの微分値ｄ^ｘｅ／ｄｔを演算する。積分器９０は、第２加算器８９の出力（ｄ^ｘｅ／ｄｔ）を積分することにより、状態変数ベクトル^ｘｅを演算する。状態変数ベクトル出力部９１は、状態変数ベクトル^ｘｅに基づいて、ステアリングホイール角度（推定値）θｓｗ、ステアリングホイール角速度（推定値）ｄθｓｗ／ｄｔ、ウォームホイール角度θｗｗ（推定値）、ウォームホイール角速度ｄθｗｗ／ｄｔ（推定値）、ドライバトルクＴｓｗ（推定値）および負荷トルクＴｌｓ（推定値）を出力する。状態変数ベクトル出力部９１から出力されるドライバトルク（推定値）Ｔｓｗは、ローパスフィルタ５２（図３参照）に与えられる。

前述の実施形態では、電動モータ１８は三相ブラシレスモータであったが、電動モータ１８はブラシ付き直流モータであってもよい。
なお、この発明は、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１…コラム式ＥＰＳ、１０…トーションバー、１１…トルクセンサ、１２…ＥＣＵ、１８…電動モータ、１９…減速機構、２０…ウォームギヤ、２１…ウォームホイール、２５…回転角センサ、３３…電流検出部、４２…ハンドル操作状態判定部、５１，５１Ａ…ドライバトルク推定部、５２…ローパスフィルタ、５３…ハンズオン／オフ判定部、１０１，１０２…ドライバトルク推定オブザーバ

Claims (3)

1. ハンドルが連結された入力軸と、前記入力軸にトーションバーを介して連結された出力軸と、前記出力軸に減速機構を介して連結された電動モータとを含む車両用操舵装置におけるハンドル操作状態判定装置であって、
   前記トーションバーに加えられているトーションバートルクを検出するためのトルク検出手段と、
   前記電動モータの回転角を検出する回転角検出手段と、
   前記トルク検出手段によって検出されるトーションバートルクおよび前記回転角検出手段によって検出される前記電動モータの回転角を少なくとも含む検出値を用いて、運転者によって前記ハンドルに加えられるドライバトルクを推定するドライバトルク推定オブザーバと、
   前記ドライバトルク推定オブザーバによって推定されるドライバトルクに基づいて、ハンズオン状態であるかハンズオフ状態であるかを判定するハンズオン／オフ判定手段とを含み、
   前記ドライバトルク推定オブザーバは、ステアリングホイール慣性、トーションバー剛性およびトーションバー粘性を含む１慣性系の物理モデルを用いて、ドライバトルクを推定するように構成されている、ハンドル操作状態判定装置。
2. 前記減速機構は、前記電動モータによって回転駆動されるウォームギヤと、前記出力軸に一体回転可能に連結されかつ前記ウォームギヤによって回転駆動されるウォームホイールとを含み、
   前記ドライバトルク推定オブザーバは、前記回転角検出手段によって検出される前記電動モータの回転角に基づいて演算される前記ウォームホイールの回転角および角速度と、前記トーションバートルクとからドライバトルクを推定するように構成されている、請求項１に記載のハンドル操作状態判定装置。
3. 前記電動モータに流れるモータ電流を検出する電流検出手段をさらに含み、
   前記ドライバトルク推定オブザーバは、前記電流検出手段によって検出される電流に基づいて演算される前記電動モータのモータトルクと、前記回転角検出手段によって検出される前記電動モータの回転角と、前記トーションバートルクとからドライバトルクを推定するように構成されている、請求項１に記載のハンドル操作状態判定装置。

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