JP7259574B2 - 制御装置、および転舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、左右に配置される転舵輪を独立して転舵する制御装置、および転舵装置に関する。

ステアリングホイールと転舵機構とが機械的に接続されておらず、転舵輪の転舵角をそれぞれ独立に制御する車両用の転舵装置がある。例えば、特許文献１には、運転者の操舵が限界を超えている場合に、転舵輪の駆動力と転舵角を制御し、安定した姿勢で運転者の意思通りに車両を旋回させる技術が記載されている。また、特許文献２には、４輪を独立して転舵可能な車両において、車速に応じて転舵状態を変更することにより車両の安定性を向上と、転舵機構への負担を軽減することができる技術が記載されている。

特開２００９－２０８４９２号公報 特開２００８－２５４６３０号公報

ところが、車両挙動の限界性能の向上、転舵輪におけるエネルギーロスの抑制などを目的としてカーブの走行中における左右の転舵輪の転舵角を個別に修正すると、タイヤ横力の総和が変化するため、車両の旋回状態に変動が生じ、所望の走行経路から車両がずれて走行してしまう場合があることを発明者は見出した。

本発明は、発明者の知見に基づきなされたものであり、カーブ走行中において左右の転舵輪の転舵角を個別に修正して車両の挙動を調整し、かつ目標径路に合致して車両を走行させることができる制御装置、および転舵装置を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の１つである制御装置は、車両の進行方向に対し左右に配置される左転舵輪、および右転舵輪のそれぞれの転舵角を独立して制御する制御装置であって、前記車両の操向方向を示す操向指令値に基づき前記左転舵輪の転舵角を示す左転舵指令値、および前記右転舵輪の転舵角を示す右転舵指令値を決定する転舵角決定部と、前記車両の目標経路を示す経路情報を取得する経路取得部と、走行中の前記車両の挙動を示す複数の状態量の少なくとも１つに基づき前記車両の挙動が目標挙動となるように前記左転舵指令値、および前記右転舵指令値をそれぞれ補正する挙動最適化部と、走行中の前記車両の挙動を示す複数の状態量の少なくとも１つに基づき前記車両が前記目標経路を走行するように前記操向指令値を補正する軌跡安定化部と、を備える。

また、本発明の他の１つである転舵装置は、上記制御装置と、前記左転舵輪を転舵する左アクチュエータを有する左転舵機構と、前記右転舵輪を転舵する右アクチュエータを有する右転舵機構と、を備える。

本発明によれば、車両の挙動の最適化を図るために左右の転舵輪を独立して制御し、かつ目標径路に合致するように車両を操向することが可能となる。

図１は、実施の形態に係る転舵装置の全体的な構成を示す図である。 図２は、制御装置の機能的な構成を車両の各構成とともに示すブロック図である。 図２は、他の例に係る制御装置の機能的な構成を車両の各構成とともに示すブロック図である。

以下に、本発明に係る制御装置、および転舵装置の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の位置関係、および接続状態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下では複数の発明を一つの実施の形態として説明する場合があるが、請求項に記載されていない構成要素については、その請求項に係る発明に関しては任意の構成要素であるとして説明している。また、図面は、本発明を説明するために適宜強調や省略、比率の調整を行った模式的な図となっており、実際の形状や位置関係、比率とは異なる場合がある。

まず、本発明の実施の形態に係る車両１０１用の転舵装置１００の全体的な構成を説明する。図１は、実施の形態に係る転舵装置の全体的な構成を示すブロック図である。転舵装置１００は、乗用車などの車両１０１に搭載される左転舵輪１１０、および右転舵輪１２０がリンクなどの機械要素により連結されず、左転舵輪１１０、および右転舵輪１２０を独立して転舵することができる装置である。本実施の形態の場合、転舵装置１００は、操舵部材１０３の操舵により出力される信号に基づき左右の転舵輪を転舵することができるリンクレス・ステア・バイ・ワイヤシステムを構成している。転舵装置１００は、運転者が操向のために操作する操舵部材としての操舵部材１０３と、走行方向において車両１０１の前方側に配置された左転舵輪１１０、および右転舵輪１２０と、左転舵輪１１０を個別に転舵する左転舵機構１１１と、右転舵輪１２０を個別に転舵するための右転舵機構１２１とを備える。

左転舵機構１１１、および右転舵機構１２１はそれぞれ、操舵部材１０３の回転操作に応じて制御される左アクチュエータ１１２、および右アクチュエータ１２２を備える。本実施の形態の場合、左アクチュエータ１１２、および右アクチュエータ１２２は、電動モータである。

左転舵機構１１１、および右転舵機構１２１はそれぞれ、左転舵輪１１０、および右転舵輪１２０を転舵させるための機構部である左転舵構造１１３、および右転舵構造１２３を有している。左転舵構造１１３、および右転舵構造１２３は、車体に対しサスペンションによって支持されている。左転舵構造１１３は、左アクチュエータ１１２から受ける回転駆動力により左転舵輪１１０を転舵させる。右転舵構造１２３は、右アクチュエータ１２２から受ける回転駆動力により右転舵輪１２０を転舵させる。

さらに、転舵装置１００は、操舵部材１０３の操舵角を検出する操舵角センサ１３１を備える。ここでは、操舵角センサ１３１は、操舵部材１０３の回転シャフトの回転角、および角速度を検出して操向指令値として出力する。また、転舵装置１００は、左転舵輪１１０の転舵角を検出する左センサ１１４と、右転舵輪１２０の転舵角を検出する右センサ１２４とを備える。

また、車両１０１には、車両１０１の速度Ｖを検出する車速センサ１３２、および慣性計測装置１３３が設けられている。慣性計測装置１３３は、例えばジャイロセンサ、加速度センサ、地磁気センサ等を備えている。慣性計測装置１３３は、車両１０１の３軸方向の加速度、および角速度等を検出する。角速度の３軸方向の例は、ヨーイング、ピッチング、およびローリング方向である。慣性計測装置１３３は、例えばヨーイング方向の角速度（「ヨーレート」とも呼ぶ）を検出する。さらに、慣性計測装置１３３は、ピッチング、およびローリング方向の角速度を検出してもよい。

また、車速センサ１３２、慣性計測装置１３３などは、状態量処理部１３０に接続されている。状態量処理部１３０は、各種センサからの情報をそれぞれ状態量として制御装置１４０に出力する。また、状態量処理部１３０は、各種センサからの情報を演算することにより、車両１０１の挙動を示す状態量を生成し制御装置１４０に出力する場合もある。

また、転舵装置１００は、制御装置１４０、および記憶装置１０５を備える。記憶装置１０５は、制御装置１４０と別に配置され、制御装置１４０と電気的に接続されていてもよく、制御装置１４０に含まれていてもよい。左転舵機構１１１は、左ＥＣＵ１１５（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を備え、右転舵機構１２１は、右ＥＣＵ１２５を備える。制御装置１４０は、左ＥＣＵ１１５、右ＥＣＵ１２５、操舵角センサ１３１、車速センサ１３２、および慣性計測装置１３３と電気的に接続されている。左ＥＣＵ１１５は、制御装置１４０、左センサ１１４、左アクチュエータ１１２、および右ＥＣＵ１２５と電気的に接続されている。右ＥＣＵ１２５は、制御装置１４０、右センサ１２４、右アクチュエータ１２２、および左ＥＣＵ１１５と電気的に接続されている。制御装置１４０、左ＥＣＵ１１５、右ＥＣＵ１２５、左アクチュエータ１１２、右アクチュエータ１２２、状態量処理部１３０、および各センサ間の通信は、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の車載ネットワークを介した通信であってもよい。

制御装置１４０は、操舵角センサ１３１、車速センサ１３２、慣性計測装置１３３、左ＥＣＵ１１５、右ＥＣＵ１２５から取得する情報に基づき、フィードバック制御を行い、適切な左転舵指令値、および右転舵指令値を左ＥＣＵ１１５、および右ＥＣＵ１２５にそれぞれ出力する。

記憶装置１０５は、種々の情報を格納することができ、また格納した情報を取り出して出力することができる。記憶装置１０５は、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどの半導体メモリ、ハードディスクドライブ、又はＳＳＤ等の記憶装置によって実現される。

制御装置１４０、左ＥＣＵ１１５、および右ＥＣＵ１２５は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等のプロセッサ、およびメモリを備えるマイクロコンピュータにより構成されてもよい。メモリは、ＲＡＭ等の揮発性メモリ、およびＲＯＭ等の不揮発性メモリであってもよく、記憶装置１０５であってもよい。制御装置１４０、状態量処理部１３０、左ＥＣＵ１１５、および右ＥＣＵ１２５の一部又は全部の機能は、ＣＰＵがＲＡＭを作業用のメモリとして用いてＲＯＭに記録されたプログラムを実行することによって達成されてもよい。

次いで、制御装置１４０の詳細を説明する。図２は、制御装置１４０の機能的な構成を示すブロック図である。制御装置１４０は、車両１０１の進行方向に対し左右に配置される左転舵輪１１０、および右転舵輪１２０のそれぞれの転舵角を独立して制御する装置であって、転舵角決定部１４１と、経路取得部１４２と、挙動最適化部１４３と、軌跡安定化部１４４と、を備えている。本実施の形態の場合、制御装置１４０は、優先度調整部１４５を備えている。車両１０１の車速制御は、アクセルペダルなどに取り付けられたペダルの踏み込み量を検出する踏込センサ１３４からの情報に基づき駆動制御部１３５がエンジン、モータ等を制御することにより実行される。

転舵角決定部１４１は、車両１０１の操向方向を示す操向指令値に基づき左転舵輪１１０の転舵角を示す左転舵指令値、および右転舵輪１２０の転舵角を示す右転舵指令値を決定する。本実施の形態の場合、転舵角決定部１４１は、操舵部材１０３の回転シャフトの回転角を操向指令値として操舵角センサ１３１から取得し、所定の比率であるいわゆるオーバーオール・ステアリングギヤ比、およびアッカーマン・ジャントー理論による内輪転舵角と外輪転舵角に基づいて演算を行い左転舵指令値、および右転舵指令値を出力する。

左ＥＣＵ１１５は、取得した左転舵指令値に応じて左アクチュエータ１１２を駆動し左転舵輪１１０を転舵する。右ＥＣＵ１２５は、取得した右転舵指令値に応じて右アクチュエータ１２２を駆動し右転舵輪１２０を転舵する。

経路取得部１４２は、車両１０１の目標経路を示す経路情報を取得する。本実施の形態の場合、車両１０１は、操舵部材１０３の運転者による操舵のみに基づき操向するものであるため、経路取得部１４２は、操舵角センサ１３１からの情報を経路情報として取得する。なお、経路取得部１４２は、操舵角センサ１３１からの情報、例えば操舵部材１０３の回転角、角速度などに基づき演算を行って経路情報を生成してもよく、この場合も経路情報の取得に含まれる。さらに、車速を加えて経路情報を取得してもかまわない。

挙動最適化部１４３は、走行中の車両１０１の挙動を示す複数の状態量の少なくとも１つに基づき車両１０１の挙動が目標挙動となるように左転舵指令値、および右転舵指令値をそれぞれ補正する。挙動最適化部１４３の目標挙動は特に限定されるものではないが、例えば、車両１０１が低速で走行している場合と高速で走行している場合に応じて微小に左右の転舵角を補正し、運転者の安心感、搭乗者の快適性の向上を目標にしてもよい。また、転舵輪によるエネルギーロスをできる限り抑制して車両１０１全体の燃費を向上させることを目標にしてもよく、転舵輪の転舵角によりタイヤ横力を制御し車両１０１の滑り角や旋回などの限界性能を向上させるなどを目標にしてもかまわない。

挙動最適化部１４３が演算に用いる状態量とは、状態量処理部１３０から得られる情報であり、例えば車両１０１の車速センサ１３２、慣性計測装置１３３、左センサ１１４、右センサ１２４などから得られるヨーレート、車速、走行方向の加速度、左右方向の加速度、左転舵輪１１０の実転舵角、右転舵輪１２０の実転舵角などである。また、挙動最適化部１４３は、状態量処理部１３０が既知の理論による演算などにより各種センサから得られた情報に基づき生成した状態量を取得してもかまわない。例えば状態量処理部１３０は、車体滑り角、タイヤ滑り角、タイヤ垂直荷重などの状態量を推定し、挙動最適化部１４３は推定された状態量に基づき左右の転舵指令値を補正してもかまわない。

軌跡安定化部１４４は、走行中の車両１０１の挙動を示す複数の状態量の少なくとも１つに基づき経路取得部１４２が取得した目標経路を車両１０１が走行するように操向指令値を補正する。挙動最適化部１４３により左右の転舵指令値が補正されると、左右の転舵輪の転舵角が個別に変化する。この変化に基づき発生するタイヤ横力の総和が変化し、カーブにおける車両１０１の走行軌跡（旋回軌跡）に変動が生じるため、軌跡安定化部１４４は、操向指令値を補正する。例えば軌跡安定化部１４４は、目標経路と状態量処理部１３０から得られる状態量とから、目標となるヨーレートを導出し目標ヨーレートを維持するように操向指令値を補正する。また、軌跡安定化部１４４は、目標経路と状態量から、目標となる旋回時の曲率（旋回半径の逆数）を導出し目標曲率を維持するように操向指令値を補正する。

優先度調整部１４５は、走行中の車両１０１の挙動を示す複数の状態量の少なくとも１つに基づき車両１０１が所定状態にあると判断した場合に、挙動最適化部１４３の制御優先度に対する軌跡安定化部１４４の制御優先度を車両１０１が所定状態にない場合から変化させる。これにより、状態量処理部１３０から得られる状態量に基づき左転舵指令値、および右転舵指令値に対し個別にフィードバック補正を行う挙動最適化部１４３と、同じ状態量処理部１３０から得られる状態量に基づき左転舵指令値、および右転舵指令値を生成するための操向指令値に対しフィードバック補正を行う軌跡安定化部１４４との各制御の優先度を調整し、振動等のない滑らかな制御を実現することができる。

優先度調整部１４５による優先度の調整は、例えば挙動最適化部１４３、および軌跡安定化部１４４の各時定数を変更することにより行う。具体的に例えば、優先度調整部１４５は、挙動最適化部１４３、および軌跡安定化部１４４の制御周期、および制御ゲインの少なくとも一方を調整することにより時定数に違いを持たせることができる。

本実施の形態の場合、所定状態とは、車両１０１の限界状態時を想定している。優先度調整部１４５は、ヨーレートや車速などに基づき車両１０１が限界状態にあると判断した場合、挙動最適化部１４３の制御周期を通常走行時よりも短くして制御優先度を高め、軌跡安定化部１４４の制御周期を通常走行時よりも長くして制御優先度を低める。具体的に例えば、通常走行時における挙動最適化部１４３の制御周期に対する軌跡安定化部１４４の制御周期の比を限界状態時には逆転させるように、挙動最適化部１４３および軌跡安定化部１４４の制御周期の長さを変更する。あるいは、通常走行時における挙動最適化部１４３の制御周期に対する軌跡安定化部１４４の制御周期の比が限界状態時においても逆転しない範囲内で、挙動最適化部１４３の制御周期を通常走行時よりも短くし、軌跡安定化部１４４の制御周期を通常走行時よりも長くしてもよい。なお、制御周期ではなく制御ゲイン（例えばＰＩＤ制御における各ゲインの少なくとも１つ）を調整してもよい。

本実施の形態によれば、例えばタイヤ横力などの車両１０１の挙動を表す状態量に基づき、左右の転舵角を指示する左右の転舵指令値を個別に補正し、また、左右の転舵指令値を決定するための操向指令値も前記状態量に基づき補正するという２つのフィードバック制御を独立して実行している。従って、例えば車両１０１の挙動をエネルギーロスの少ない状態で維持しつつ、操舵部材１０３の操舵に対応して走行経路に沿って操向するいわゆるオンザレール感覚で車両１０１を操舵することが可能となる。

また、急に路面の状態が変化するなど車両１０１が限界状態になった場合などに、挙動最適化部１４３と軌跡安定化部１４４との制御優先度を調整することにより、限界状態を超えることなく滑らかに車両１０１を制御することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。

例えば、車両１０１は、操舵部材１０３による車両１０１の操向をアシストするアシストモード、操舵部材１０３によらない自動運転を行う自動運転モードなどを備えていてもかまわない。この場合、車両１０１は、図３に示すように、自動運転などを可能とする走行用センサ１６２と、走行用センサ１６２からの情報に基づき車両１０１の走行を制御、またはアシストする走行制御装置１０６を備えている。

走行用センサ１６２は、車両１０１の自動走行に必要な情報を取得するセンサである。走行用センサ１６２は、特に限定されるものではなく、複数種類のセンサを含んでもかまわない。例えば、走行用センサ１６２としては、路面に設けられた白線などの目印の位置など走行経路を生成するための情報を取得するカメラ、地図情報における車両１０１の位置を取得するセンサ、前方の障害物を検知するレーダーなどを例示することができる。

走行制御装置１０６は、走行用センサ１６２からの情報などに基づき車両１０１の走行を制御する。走行制御装置１０６は、車両１０１の目標車速を決定し目標車速に応じた車速指令値を駆動制御部１３５に出力する。また、走行制御装置１０６は、経路生成部１６１を備えている。経路生成部１６１は、地図情報や走行用センサ１６２からの情報に基づき車両１０１が走行するべき経路を生成し、経路情報として出力する。また、走行制御装置１０６は、車両１０１の現在位置、経路生成部１６１によって生成された経路情報などに基づき操向指令値を出力する。

アシストモードや自動運転モードなどの場合、制御装置１４０の転舵角決定部１４１は、走行制御装置１０６が出力した操向指令値に基づき左転舵指令値、および右転舵指令値を生成する。挙動最適化部１４３は、アシストモードや自動運転モードなどに関わりなく、状態量に基づいて左転舵指令値、および右転舵指令値を補正する。経路取得部１４２は、経路生成部１６１から取得した経路情報に、走行制御装置１０６から出力される車速指令値を加えて経路情報を出力する。軌跡安定化部１４４は、取得した経路情報に基づき操向指令値を補正する。

また、図３には、軌跡安定化部１４４と挙動最適化部１４３の優先度を相対的に調整する優先度調整部１４５は存在していない。このような場合、軌跡安定化部１４４、および挙動最適化部１４３の少なくとも一方が状態量に基づき優先度を調整してもかまわない。

また、本発明の技術は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム又はコンピュータ読取可能な記録ディスク等の記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム、および記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

例えば、上記実施の形態に含まれる各処理部は典型的には集積回路であるＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：大規模集積回路）として実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように１チップ化されてもよい。

また、集積回路化はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。

なお、上記実施の形態において、各構成要素は、専用のハードウェアで構成されるか、各構成要素に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。各構成要素は、ＣＰＵなどのプロセッサ等のプログラム実行部が、ハードディスク又は半導体メモリ等の記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。

また、上記構成要素の一部又は全部は、脱着可能なＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）カード又は単体のモジュールから構成されてもよい。ＩＣカード又はモジュールは、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるコンピュータシステムである。ＩＣカード又はモジュールは、上記のＬＳＩ又はシステムＬＳＩを含むとしてもよい。マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムにしたがって動作することにより、ＩＣカード又はモジュールは、その機能を達成する。これらＩＣカード、およびモジュールは、耐タンパ性を有するとしてもよい。

本発明に係る技術は、各転舵輪を転舵させる機構が独立している転舵装置に有用である。

１００…転舵装置、１０１…車両、１０３…操舵部材、１０５…記憶装置、１０６…走行制御装置、１１０…左転舵輪、１１１…左転舵機構、１１２…左アクチュエータ、１１３…左転舵構造、１１４…左センサ、１２０…右転舵輪、１２１…右転舵機構、１２２…右アクチュエータ、１２３…右転舵構造、１２４…右センサ、１３０…状態量処理部、１３１…操舵角センサ、１３２…車速センサ、１３３…慣性計測装置、１３４…踏込センサ、１３５…駆動制御部、１４０…制御装置、１４１…転舵角決定部、１４２…経路取得部、１４３…挙動最適化部、１４４…軌跡安定化部、１４５…優先度調整部、１６１…経路生成部、１６２…走行用センサ

Claims (5)

1. 車両の進行方向に対し左右に配置される左転舵輪、および右転舵輪のそれぞれの転舵角を独立して制御する制御装置であって、
   前記車両の操向方向を示す操向指令値に基づき前記左転舵輪の転舵角を示す左転舵指令値、および前記右転舵輪の転舵角を示す右転舵指令値を決定する転舵角決定部と、
   前記車両の目標経路を示す経路情報を取得する経路取得部と、
   走行中の前記車両の挙動を示す複数の状態量の少なくとも１つに基づき前記車両の挙動が目標挙動となるように前記左転舵指令値、および前記右転舵指令値をそれぞれ補正する挙動最適化部と、
   走行中の前記車両の挙動を示す複数の状態量の少なくとも１つに基づき前記車両が前記目標経路を走行するように前記操向指令値を補正する軌跡安定化部と、
   を備える制御装置。
2. 前記経路取得部は、
   前記操向指令値に基づき経路情報を取得する
   請求項１に記載の制御装置。
3. 前記経路取得部は、
   経路生成部から経路情報を取得する
   請求項１に記載の制御装置。
4. 走行中の前記車両の挙動を示す複数の状態量の少なくとも１つに基づき前記車両が所定状態にあると判断した場合に、前記挙動最適化部の制御優先度に対する前記軌跡安定化部の制御優先度を前記車両が所定状態にない場合から変化させる優先度調整部
   を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の制御装置と、
   前記左転舵輪を転舵する左アクチュエータを有する左転舵機構と、
   前記右転舵輪を転舵する右アクチュエータを有する右転舵機構と、
   を備える転舵装置。

Images