JP7400686B2

JP7400686B2 - 車両転舵装置

Info

Publication number: JP7400686B2
Application number: JP2020172512A
Authority: JP
Inventors: 雄大鈴木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-10-13
Filing date: 2020-10-13
Publication date: 2023-12-19
Anticipated expiration: 2040-10-13
Also published as: JP2022064028A

Description

本発明は、車両転舵装置に関する。

従来、各車輪が独立して転舵可能な独立転舵車両において、走行路面の状態に拘わらず車両の直進安定性を良好に確保しようとする技術が知られている。

例えば特許文献１には、路面判定部が判定した路面状態に応じて左右一対の車輪をトーイン側またはトーアウト側に転向させることで、走行路面の傾斜による外乱の影響を受けにくくする装置が開示されている。

特開２００６－２４０４１３号公報

各車輪に制駆動力が付与されると、路面とタイヤとの間の力によりトルクステアが発生する。左右の前輪及び左右の後輪がそれぞれラックバーで連結された車両では、トルクステアはラックバーにより吸収される。しかし、ラックバーの無い独立転舵車両ではトルクステアを吸収することができない。例えば制動時には四輪ともトーアウト方向に転舵する力が働くため、車両挙動がふらつくおそれがある。

本発明は上述の点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、独立転舵車両において制駆動力により発生するトルクステアに対して車両挙動の安定性を確保する車両転舵装置を提供することにある。

本発明の車両転舵装置は、各車輪（９１－９４）に対応して設けられた複数の転舵アクチュエータ（８１－８４）により各車輪が独立して転舵可能な独立転舵車両（９００）に搭載される。車両転舵装置は、対応する転舵アクチュエータに指令転舵角を出力する複数の駆動装置（１０１－１０４）を含む。各駆動装置は、目標転舵角計算部（２）と、制駆動力計算部（３）と、前後力推定部（４）と、補正転舵角計算部（５）と、指令転舵角計算部（６）とを備える。

目標転舵角計算部は、操舵入力に応じて目標転舵角を計算する。制駆動力計算部は、対応する車輪に指令する制駆動力を計算する。前後力推定部は、少なくとも、制駆動力計算部が計算した指令制駆動力、前後加速度及び路面摩擦係数の情報に基づき、対応する車輪に作用する前後力を推定する。補正転舵角計算部は、路面とタイヤとの間の力によって生じるトルクステアに起因する転舵角を打ち消す補正転舵角を計算する。指令転舵角計算部は、目標転舵角に補正転舵角を加算した値を指令転舵角として転舵アクチュエータに出力する。

補正転舵角計算部は、前後力推定部が推定した前後力から、トルクステアにより生じる推定トルクを計算し、当該推定トルクに基づき、トルクステアに起因する転舵角を計算する。これにより本発明では、トルクステアに対して車両挙動の安定性を確保することができる。

好ましくは、補正転舵角計算部は、前後力推定部が推定した前後力と、対応する車輪のスクラブ半径とから、推定トルクを計算する。

また、より好ましくは、前後力推定部は、対応する車輪について、前後加速度に基づく接地荷重、及び、車速と車輪速との差に基づくスリップ率を推定し、さらに接地荷重及びスリップ率の情報に基づいて前後力を計算する。

一実施形態による車両転舵装置が適用される独立転舵車両の模式図。ラックバー付き車両に制動力が付与されたときの挙動を示す模式図。平坦路で独立転舵車両に制動力が付与されたときの挙動を示す模式図。スプリットμ路で独立転舵車両に制動力が付与されたときの挙動を示す模式図。制動による各車輪の前後力の変化を説明する模式図。トルクステア起因転舵角を説明する図５の左前輪部拡大模式図。駆動装置の制御ブロック図。（ａ）前後加速度と接地荷重との関係を示す図、（ｂ）横加速度と接地荷重との関係を示す図。（ａ）指令制駆動力と前後力との関係を示す図、（ｂ）接地荷重と前後力との関係を示す図。（ａ）路面摩擦係数と前後力との関係を示す図、（ｂ）スリップ率と前後力との関係を示す図。

以下、本発明の一実施形態による車両転舵装置を図面に基づいて説明する。本実施形態の車両転舵装置は、各車輪に対応して設けられた複数の転舵アクチュエータにより各車輪が独立して転舵可能な独立転舵車両に搭載される。

（一実施形態）
図１に示すように、独立転舵車両９００は、車体９９の左右に左前輪９１、右前輪９２、左後輪９３及び右後輪９４が配置された四輪車両である。各車輪９１－９４に対応して四台の転舵アクチュエータ８１－８４が設けられている。車両転舵装置１０は、各転舵アクチュエータ８１－８４に指令転舵角を出力する四つの駆動装置１０１－１０４を含む。例えば転舵アクチュエータ８１－８４は、モータと減速ギヤとから構成される。また、各駆動装置は、対応する転舵アクチュエータのモータ筐体に一体に設けられてもよい。駆動装置の詳細な構成については、図７を参照して後述する。

図１にて、左前輪９１に対応する転舵アクチュエータ８１及び駆動装置１０１には「ＦＬ」、右前輪９２に対応する転舵アクチュエータ８２及び駆動装置１０２には「ＦＲ」と記す。また、左後輪９３に対応する転舵アクチュエータ８３及び駆動装置１０３には「ＲＬ」、右後輪９４に対応する転舵アクチュエータ８４及び駆動装置１０４には「ＲＲ」と記す。

図示しないが、独立転舵車両９００には、図７の入力パラメータを検出する各種センサとして、前後加速度及び横加速度センサ、路面摩擦係数センサ、車速センサ、車輪速センサ等が設けられる。或いは、これらの入力パラメータは、他の情報に基づいて推定されてもよい。

本実施形態では、独立転舵車両に制駆動力が作用したときの挙動に着目する。車両に制駆動力が付与されたとき、路面とタイヤとの間の力によって、意図しないトルクステアが発生する。ここで、路面状態に応じて左右一対の車輪をトーイン側またはトーアウト側に転向させる特許文献１（特開２００６－２４０４１３号公報）の従来技術では、制駆動力に起因するトルクステアについて一切考慮されていない。

図２～図４を参照し、車両の四輪に制動力が付与された場合を例に説明する。駆動力が付与された場合については同様であるため省略する。図２には比較例として、左右一対の車輪が連結されたラックバー付き車両９０９を示し、図３、図４には独立転舵車両９００を示す。図の上側が車両前方である。

図中、各車輪９１－９４の車両内側に示す「×」は転舵中心となるキングピンの位置、すなわちスクラブ半径の中心Ｐ１－Ｐ４を示す。後方に向いた白抜きブロック矢印は、各車輪９１－９４に付与される制動力Ｆｂｒ１－Ｆｂｒ４を示す。円弧状の矢印は、路面とタイヤとの間の力によって生じる転舵力Ｆｔｓ１－Ｆｔｓ４を示す。車体９９の前部に記した二重線矢印は、車両が減速して停止する進路Ｃｓを示す。図３、図４では、制動前の車輪９１－９４の位置を二点鎖線で示し、トルクステア発生時の車輪９１－９４の位置を実線で示す。

図２に示すラックバー付き車両９０９は、左右前輪９１、９２がラックバー９５で連結され、左右後輪９３、９４がラックバー９６で連結されている。各車輪９１－９４に制動力Ｆｂｒ１－Ｆｂｒ４が付与されたとき、ラックバー９５、９６の軸方向に反作用の力Ｆｘ１－Ｆｘ４が生じ、転舵力Ｆｔｓ１－Ｆｔｓ４を吸収する。これにより、ラックバー９５、９６の軸方向に転舵力Ｆｔｓ１－Ｆｔｓ４が逃げるためトルクステアは発生しない。よって、車両９０９は直進して停止する。

これに対し図３に示すように、ラックバーの無い独立転舵車両９００に平坦路で制動力が付与された場合、転舵力Ｆｔｓ１－Ｆｔｓ４の逃げ場が無く、意図しないトルクステアが発生してしまう。四輪ともトーアウト方向に転舵する力が働くため、車両挙動がふらつくおそれがある。

また図４には、車体中心に対し左側が高μ路であり、右側が低μ路である「スプリットμ路」の例を示す。高μ路とは、乾燥した舗装路のように路面摩擦係数が比較的大きい道路をいい、低μ路とは、濡れた道路や凍結路のように路面摩擦係数が比較的小さい道路をいう。スプリットμ路で独立転舵車両９００が制動されると、高μ路側の制動力Ｆｂｒ１、Ｆｂｒ３が、低μ路側の制動力Ｆｂｒ２、Ｆｂｒ４よりも大きくなるため、車両９００は左方向に曲がりながら停止する。

本実施形態では、図３、図４に示すような場面において独立転舵車両９００の挙動を安定させることを課題とする。この課題に対する解決手段のイメージについて図５、図６を参照して説明する。まず図５に示すように、本実施形態では、トルクステアの要因となる前後力の変化に着目する。前後力は、指令制駆動力、接地荷重、路面摩擦係数及びスリップ率から推定される、路面に伝わる力である。各パラメータからの前後力推定の詳細は、図７～図１０を参照して後述する。

駆動時の前後力は正の値となり、制動時の前後力は負の値となる。車両後方に向いた矢印は、負の前後力を表す。図５中の白抜きブロック矢印は、各車輪９１－９４に対する指令制動力から換算された前後力指令値Ｆｂｆ＿ｃｏｍ１－Ｆｂｆ＿ｃｏｍ４を示す。ハッチング入りのブロック矢印は、実際に路面に伝わる前後力Ｆｂｆ＿ｒｅａｌ１－Ｆｂｆ＿ｒｅａｌ４を示す。

制動時、前後加速度が負となり、車両の重心Ｇが前方に移動する。その結果、前輪９１、９２では制動力により接地荷重が増加するため、実際の前後力Ｆｂｆ＿ｒｅａｌ１、Ｆｂｆ＿ｒｅａｌ２の絶対値は、指令値Ｆｂｆ＿ｃｏｍ１、Ｆｂｆ＿ｃｏｍ２の絶対値より大きくなる。後輪９３、９４では制動力により接地荷重が減少するため、実際の前後力Ｆｂｆ＿ｒｅａｌ３、Ｆｂｆ＿ｒｅａｌ４の絶対値は、指令値Ｆｂｆ＿ｃｏｍ３、Ｆｂｆ＿ｃｏｍ４の絶対値より小さくなる。なお、前後力に影響する接地荷重以外のパラメータについては後述する。

図６は、例として左前輪９１部を拡大した模式図である。以下の説明中、各記号の末尾数字「１」は左前輪９１に対応することを示すものであり、他の車輪９２、９３、９４に適用される場合は、それぞれ「２」、「３」、「４」に置き換えて解釈される。

トルクステアにより車輪９１は、点Ｐ１を中心とするスクラブ半径Ｒｓｃ１の円に沿って転舵する。このとき、トルクステア起因の転舵角θｔｓ１は、前後力Ｆｂｆ１及びスクラブ半径Ｒｓｃ１に依存する。そして、トルクステア起因の転舵角θｔｓ１とは逆向きの転舵角が補正転舵角θｔ＿ｃｏｍｐ１として計算される。駆動装置１０１は、車輪９１の目標転舵角に対し補正転舵角θｔ＿ｃｏｍｐ１を加算して補正することで、トルクステア起因の転舵角θｔｓ１による目標転舵角との偏差を打ち消す。

次に図７～図１０を参照し、駆動装置１０１－１０４の具体的な制御構成について説明する。図７に示すように、各駆動装置１０１－１０４は、目標転舵角計算部２、制駆動力計算部３、前後力推定部４、補正転舵角計算部５、及び指令転舵角計算部６を備える。各駆動装置１０１－１０４は、対応する転舵アクチュエータ８１－８４に指令転舵角を出力する。以下の図７の説明では、車輪９１に対応する駆動装置１０１を例として符号を記載する。また、図７には、図６に示す記号Ｆｂｆ、Ｒｓｃ、θｔｓ、θｔ＿ｃｏｍｐについてのみ末尾数字を省略して記す。なお、文中ではこれらの記号の記載を省略する。

目標転舵角計算部２は、操舵入力に応じて車輪９１の目標転舵角を計算する。操舵入力は、運転者による手動の操舵入力に限らず、自動運転での操舵指令であってもよい。補正転舵角計算部５は、トルクステアに起因する転舵角を打ち消す補正転舵角を計算する。指令転舵角計算部６は、目標転舵角に補正転舵角を加算した値を指令転舵角として転舵アクチュエータ８１に出力する。

続いて、補正転舵角計算部５が補正転舵角を計算するための構成を遡って説明する。制駆動力計算部３は、対応する車輪９１に指令する制駆動力を計算し、前後力推定部４に出力する。前後力推定部４には、制駆動力計算部３が計算した指令制駆動力に加え、上述の各種センサにより検出された、或いは他の情報に基づいて推定された前後加速度及び横加速度、路面摩擦係数、車速、車輪速等のパラメータが入力される。また、前後力推定部４は、車両諸元であるタイヤ有効半径及びホイールベース／トレッド比を取得する。

前後力推定部４の接地荷重推定部４１は、前後加速度及び横加速度に基づき接地荷重を推定する。図８（ａ）に示すように、前輪９１、９２の接地荷重は、基準値に対し減速時に増加し、加速時に減少する。後輪９３、９４の接地荷重は、基準値に対し減速時に減少し、加速時に増加する。また、図８（ｂ）において横加速度は、右旋回時を正、左旋回時を負として表す。図８（ｂ）に示すように、左輪９１、９３の接地荷重は、基準値に対し左旋回時に減少し、右旋回時に増加する。右輪９２、９４の接地荷重は、基準値に対し右旋回時に増加し、左旋回時に減少する。図８（ａ）、（ｂ）にて、接地荷重は加速度の変化に対しほぼ線形的に変化する。

接地荷重推定部４１は、図８のような相関図をマップとして保持し、マップに基づき接地荷重を推定してもよいし、数式を用いて同様の推定を実施してもよい。

スリップ率推定部４２は、車速と車輪速との差の車速に対する比率、タイヤ有効半径及びホイールベース／トレッド比に基づき、スリップ率を推定する。

総合推定部４３は、指令制駆動力、接地荷重、路面摩擦係数及びスリップ率の情報に基づき、対応する車輪９１に作用する前後力を推定し、補正転舵角計算部５に出力する。図９（ａ）において指令制駆動力は、駆動時を正、制動時を負として表す。図９（ａ）に示すように、前後力は、指令制駆動力に対し正の相関を有する。図９（ｂ）に示すように、前後力は、接地荷重の増加に連れて増加し、ある接地荷重以上では飽和する。

図１０（ａ）に示すように、前後力は、路面摩擦係数が０から１に増加するに連れて、ほぼ線形的に増加する。図１０（ｂ）に示すように、前後力は、スリップ率が０からρｘまでの間、スリップ率の増加に連れて急激に増加して最大値に達し、スリップ率がρｘを超えると、スリップ率の増加に連れて最大値から緩やかに減少する。

例えば総合推定部４３は、図９、図１０のような相関図をマップとして保持し、マップに基づき前後力を推定してもよいし、数式を用いて同様の推定を実施してもよい。また、総合推定部４３は、複数の入力パラメータに基づく推定値を組み合わせて前後力を推定するにあたり、各パラメータに優先順位をつけて調停したり、重み付けをして加重平均を計算したりしてもよい。

補正転舵角計算部５のトルクステア起因トルク推定部５１は、前後力推定部４が推定した前後力と、対応する車輪９１のスクラブ半径との積から、トルクステアにより生じる推定トルクを計算する。トルクステア起因転舵角推定部５２は、推定トルク及び車輪慣性モーメントに基づき、トルクステア起因転舵角を推定する。ここで、トルクを車輪慣性モーメントで除すると車輪角加速度が得られ、車輪角加速度を二階積分することで転舵角が算出される。

反転器５３は、トルクステア起因転舵角の符号を反転することで、トルクステア起因転舵角を打ち消す補正転舵角を計算する。この補正転舵角が指令転舵角計算部６において目標転舵角に加算される。したがって、反転器を設けず、指令転舵角計算部６が目標転舵角からトルクステア起因転舵角を減算するようにしてもよい。

このように本実施形態では、各駆動装置１０１－１０４において、指令制駆動力、接地荷重、路面摩擦係数及びスリップ率の情報に基づき前後力が推定され、前後力とスクラブ半径とに基づき補正転舵角が計算される。これにより駆動装置１０１－１０４は、トルクステアに起因する転舵角を打ち消すように補正された指令転舵角を用いて、対応する転舵アクチュエータ８１－８４を駆動することができる。よって、車両転舵装置１０は、独立転舵車両９００において制駆動力により発生するトルクステアに対して車両挙動の安定性を確保することができる。

また、各車輪９１－９４に対応する駆動装置１０１－１０４は、車輪毎に指令転舵角を算出し、対応する転舵アクチュエータ８１－８４に出力する。したがって、図４に示すスプリットμ路のような路面においても、車輪毎に適切な転舵角を指令することができる。

なお、目標転舵角を補正する方法として、例えば実際の転舵角を検出してフィードバックし、目標転舵角との偏差を０に近づけるように制御することも考えられる。しかし、独立転舵車両において基準角を共有しつつ各車輪９１－９４の転舵角を検出することは容易ではない。そこで本実施形態のように、車両９００の各種情報からフィードフォワード的に補正転舵角を計算することが有効である。

特に本実施形態では、前後力推定部４により推定した前後力から、トルクステアにより生じる推定トルクを計算し、当該推定トルクに基づき、トルクステアに起因する転舵角を計算するため、前後力による車両の挙動を適切に評価することができる。また、前後力推定部４は、スリップ率の情報にも基づいて前後力を計算することで、対応する車輪のスリップを考慮した前後力を推定することができる。

（その他の実施形態）
本発明の車両転舵装置は、四輪の独立転舵車両に限らず、車両前後方向において三列以上の車輪が独立転舵可能な六輪以上の車両に搭載されてもよい。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１０・・・車両転舵装置、
１０１－１０４・・・駆動装置、
２・・・目標転舵角計算部、
３・・・制動駆動力計算部、
４・・・前後力推定部、
５・・・補正転舵角計算部
６・・・指令転舵角計算部、
８１－８４・・・転舵アクチュエータ、
９１－９４・・・車輪、
９００・・・独立転舵車両。

Claims

各車輪（９１－９４）に対応して設けられた複数の転舵アクチュエータ（８１－８４）により各車輪が独立して転舵可能な独立転舵車両（９００）に搭載される車両転舵装置であって、
対応する前記転舵アクチュエータに指令転舵角を出力する複数の駆動装置（１０１－１０４）を含み、
各前記駆動装置は、
操舵入力に応じて目標転舵角を計算する目標転舵角計算部（２）と、
対応する車輪に指令する制駆動力を計算する制駆動力計算部（３）と、
少なくとも、前記制駆動力計算部が計算した指令制駆動力、前後加速度及び路面摩擦係数の情報に基づき、対応する車輪に作用する前後力を推定する前後力推定部（４）と、
路面とタイヤとの間の力によって生じるトルクステアに起因する転舵角を打ち消す補正転舵角を計算する補正転舵角計算部（５）と、
前記目標転舵角に前記補正転舵角を加算した値を指令転舵角として前記転舵アクチュエータに出力する指令転舵角計算部（６）と、
を備え、
前記補正転舵角計算部は、
前記前後力推定部が推定した前後力から、トルクステアにより生じる推定トルクを計算し、当該推定トルクに基づき、トルクステアに起因する転舵角を計算する車両転舵装置。
前記補正転舵角計算部は、
前記前後力推定部が推定した前後力と、対応する車輪のスクラブ半径とから、前記推定トルクを計算する請求項１に記載の車両転舵装置。
前記前後力推定部は、対応する車輪について、前後加速度に基づく接地荷重、及び、車速と車輪速との差に基づくスリップ率を推定し、さらに接地荷重及びスリップ率の情報に基づいて前後力を計算する請求項１または２に記載の車両転舵装置。