JPH078652B2 - 前後輪操舵車輌に於ける後輪転舵角制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ 〈産業上の利用分野〉 本発明は、可及的に狭い屈曲路を走行し得るように、前
後輪操舵車輌に於ける後輪の操舵角の最適な制御方法に
関する。

〈従来の技術〉 前輪のみが操舵可能な従来形式の４輪車輌に於ては、第
１図に示されるように、点Ｏを中心とする旋回時に例え
ば前後の内輪２、３の軌跡４、５が一致せず、所謂内輪
差が発生する（尚、矢印Ｆは車輌の進行方向を示す）。
旋回時の外輪についても、内外輪の実質的な軸距に差が
あることから内輪差よりもやや小さいものの、外側の前
輪及び後輪の軌跡の間にも内輪差と略同様の偏差が発生
する。そのため、狭隘箇所を車体１の前部が通過し得て
も車体１の後部が障害物に接触しがちとなり、狭い屈曲
路を通過しようとする時等の車輌の取回し性に問題があ
ることが知られている。

そこで、第２図に示されているように、前輪２と共に後
輪３を逆位相に同一角度転舵するような前後輪操舵車輌
が提案され、これによれば定常旋回時には前後輪の軌跡
４、５が一致することから、従来形式の前輪のみを操舵
する車輌に比較して取回し性が大幅に改善される。

しかしながら、このような前後輪操舵車輌に於ても、内
輪差が０となるのは定常旋回時に限られ、第３図に示さ
れたように、車体１の位置がＩの状態からIIの状態に向
けてO1を中心とする右回りの定常旋回を行なった後、II
Iにより示される位置に向けてO2を中心とする左回りの
定常旋回を行った場合、前後輪２、３の軌跡４、５は、
実線及び破線によりそれぞれ示されるように、旋回方向
を切り換えた時に一致せず、取回し性の改善効果が不十
分となる。実際には、操舵角が連続的に変化することと
なり、後輪は、前輪の軌跡に対して複雑に偏位した軌跡
上を運動することとなる。

〈発明が解決しようとする課題〉 このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的
は、定常的な旋回時のみならず、過渡的な旋回時にあっ
ても前後輪が同一の軌跡を描くように前後輪操舵車輌に
於ける後輪の制御を行い、車輌の取回し性を最適化する
ことにある。

本発明の第２の目的は、前後輪操舵車輌に於いて前後輪
の軌跡を一致させるための簡便な方法を提供することに
ある。

本発明の第３の目的は、前後輪操舵車輌に於いて、高速
域にあっては操縦安定性を確保し、低速域にあっては車
輌の取回し性を改善するような後輪の転舵角制御方法を
提供することにある。

［発明の構成］ 〈課題を解決するための手段〉 このような目的は、本発明によれば、左右一対の車輪か
らなる前後輪を共に転舵可能なようにしてなる前後輪操
舵車輌に於て、車体の前後方向中心線上にある仮想的中
央後輪が、車体の前後方向中心線上にある仮想的中央前
輪の軌跡をなぞるように転舵するための後輪転舵角制御
方法であって、ある点上に於ける後輪の転舵角を、その
点上に前輪があった時点の車体ヨー角度とその点上に後
輪がきた時点の車体ヨー角度との変化量をその点上に於
ける前輪の転舵角から減算した値に対して車速領域に応
じて定められた所定の修正係数を乗算して得た値に設定
することを特徴とする後輪転舵角制御方法を提供するこ
とにより達成される。

〈作用〉 このようにすれば、後輪の軌跡を前輪の軌跡に略一致さ
せて前後輪間の内輪差を殆ど皆無にすることができる。
従って、運転者は前輪の位置のみに注目して運転を行え
ばよい等、車輌の取回し性を大巾に改善することがで
き、車体の大きさを意識してハンドル操作を行う必要が
無くなるため、車輌の運転が極めて容易に行い得るよう
になる。

〈実施例〉 以下、本発明の好適実施例を添付の図面について詳しく
説明する。

第４図は、本発明に基づく後輪の制御方法が適用された
前後輪操舵車輌の走行の状況を示すもので、車体位置が
Ｉ、II、IIIにより示されるように変化する場合に、前
後輪２、３の軌跡４、５が完全に一致し、車輌の取回し
性が最適化されている。

第５図は、このような後輪の転舵角制御を実現すための
理論を示すもので、前輪２の描く軌跡４の曲線に沿って
距離ｉを変数とする座標軸を想定する。前輪２が、この
曲線上の座標ｉに於ける点P1にある時の車輌のヨー角度
をΨ（ｉ）とし、車体１に対する前輪２の転舵角をδｆ
（ｉ）とし、同じく車体１に対する後輪３の転舵角をδ
ｒ（ｉ）とする。この時、後輪３はP0の位置にあり、P0
の座標をｉ−Δｉとする。前輪２が点P0にあった時の車
輌のヨー角度はΨ（ｉ−Δｉ）であって、その時の前輪
転舵角はδｆ（ｉ−Δｉ）となる。

この時、点P0に於ける前輪２の転舵方向と、後輪３の転
舵方向が絶対空間上で一致していればよい。即ち、 δｆ（ｉ−Δｉ）＋Ψ（ｉ−Δｉ） ＝δｒ（ｉ）＋Ψ（ｉ） （１） この式から、後輪３の車体１に対する転舵角δｒ（ｉ）
は、 δｒ（ｉ）＝δｆ（ｉ−Δｉ） ＋Ψ（ｉ−Δｉ）−Ψ（ｉ） （２） により与えられる。即ち、各点に於ける後輪３の転舵角
は、その点に於ける前輪２の転舵角からヨー角度の変化
を減じた値に設定すればよいことが分かる。

第６図はこのようなアルゴリズムに基づき後輪の転舵角
を制御し得る前後輪操舵車輌をモデル化して示すもの
で、前輪２は、操舵輪６により操作される前輪用ステア
リングギヤボックス７により転舵され、後輪３は、モー
タ９により操作される後輪用ステアリングギヤボックス
８により転舵される。前輪２の転舵角は、舵角センサ11
により検知されるが、このセンサ11の出力は制御用コン
ピュータ10に供給され、後記するように後輪の転舵角を
決定するために用いられる。後輪用ステアリングギヤボ
ックス８にも同様な舵角センサ12が付設され、後輪３の
転舵角が同じく制御用コンピュータ10に供給されるが、
この舵角センサ12の出力は、制御用コンピュータ10によ
り後輪の舵角を決定したときに、このような舵角を実現
しようとするサーボ動作のために用いられる。更に、前
後輪の回転数を検出するための走行距離センサまたは車
速センサ13a、13b、14a14bの出力も制御用コンピュータ
10に供給される。更に、車体のヨーレイトを検出するレ
イトジャイロ15及び車体の絶対的な方位を検出する方位
計16の出力も同じく制御用コンピュータ10に供給され
る。

第７図は、式（２）により示されたアルゴリズムを実行
するための構成を機能的に示すブロック図である。例え
ば、走行距離センサ13a〜14bの出力に基づき走行距離の
演算を走行距離演算回路20により行い、その出力ｉを遅
延回路21に供給する。この遅延回路21には、舵角センサ
11により得られた前輪の転舵角δｆ（ｉ）が供給され
る。各時点に於ける前輪の転舵角はメモリ22に一旦記憶
され、Δｉに相当する遅延時間の後に前輪の転舵角δｆ
（ｉ−Δｉ）を遅延回路21から出力させる。レイトジャ
イロ15の出力であるヨーレイトｒを、前輪がP0からP1に
至るまでの時間即ちｉ−Δｉからｉに至る間の時間に亘
って積分器23により積分し、その結果を遅延回路21の出
力から減じることにより後輪の転舵角δｒ（ｉ）を得
る。ヨー角度Ψの変化量を測定するには、レイトジャイ
ロ15に代えて方位計16により直接的に求めることもでき
る。また、レイトジャイロ15と方位計16とを組み合わ
せ、レイトジャイロ15の積分演算によるドリフトの影響
と、方位計16の精度の不十分さとを互いに補うようにす
ることもできる。

また、前輪と後輪の軌跡上の距離の差Δｉは車輌の軸距
（ホイールベース）にほぼ等しいとして、近似的な計算
を行うことによっても十分な効果を得ることができる。

次に、レイトジャイロや方位計を用いずにヨー角の変化
を推定する方法について述べる。

車輌の輪距（トレッド）をｄとし、左右の車輪の回転数
から換算した走行距離をそれぞれΔiR、ΔiLとすると、
ヨー角変化量ΔΨは、 Ψ＝（ΔiR−ΔiL）/d （３） により推定することができる。これを用いて、 δｒ（ｉ）＝δｆ（ｉ−Δｉ）−ΔΨ （４） から後輪転舵角を決定することもできる。

更に、次の式によりヨー角変位量を推定することもでき
る。

ΔΨ＝Ψ（ｉ）−Ψ（ｉ−Δｉ） ＝（1/l）∫｛δｆ（ｉ＊） −δｒ（ｉ＊）｝di＊ （５） 但し、ｉ＊は積分を行うために用いる補助変数であり、
ｌは前出の軸距（ホイールベース）である。この式か
ら、 δｒ（ｉ）＝δｆ（ｉ−Δｉ） −（1/l）∫｛δｆ（ｉ＊） −δｒ（ｉ＊）｝di＊ （６） が導かれ、車輪の回転速度及び前輪の転舵角のみから最
適な後輪転舵角を演算することができる。

即ち、第８図に示されている構成により、次のようにし
て、後輪転舵角を演算することができる。先ず、走行距
離センサ13a〜14bの出力に基づき走行距離の演算を走行
距離演算回路30により行い、その出力ｉを遅延回路31に
供給する。この遅延回路31には、舵角センサ11により得
られた前輪の転舵角δｆ（ｉ）が供給される。各時点に
於ける前輪の転舵角はメモリ32に一旦記憶され、Δｉに
相当する遅延操舵の後に前輪の転舵角δｆ（ｉ−Δｉ）
を遅延回路31から出力させる。積分器34の出力及び遅延
回路31の出力の和が後輪転舵角δｒ（ｉ）として与えら
れるが、積分器34の入力としては、後輪転舵角δｒ
（ｉ）から前輪転舵角δｆ（ｉ）を減じたものに乗算器
33により所定の定数を乗算したものを用いる。

このようして、車輌の取回し性を大幅に改善することが
できるが、実際には各時間ステップ間の前輪及び後輪の
走行距離に差があることから、前記したようなアルゴリ
ズムを実行しようとする場合に問題が生じる。即ち、前
輪の転舵角を、所定の時間ステップ毎、又は前輪の所定
の走行距離ステップ毎に記憶するが、後輪が、必ずしも
各ステップ毎に前輪が過去に占めた位置と同一の点に位
置するとは限らず、何等かの修正を加える必要がある。
また、前記した実施例に於いては、車輌の、例えば右車
輪のみに着目してアルゴリズムを実行したが、周知のよ
うに、車輌の左右輪の転舵角は一般的に異なっており、
一般に、４つの車輪を常に同一の旋回中心を有するよう
に転舵するのが望ましい。従って、右車輪の転舵角のみ
に着目して実際の転舵を行なった場合には、運転者に対
して微妙な違和感を与える虞れがある。

第９図〜第15図について以下に説明する実施例は、この
ような点を考慮したものでる。

第９図は、前後の車輪がそれぞれδｆ、−δｒの転舵角
をもって転舵され、前輪が微少距離dsf、後輪が微少距
離dsr走行し、結果としてｄΨのヨー変化を引き起した
状態を示すもので、これから、 LdΨ＝dsf sin δｆ−dsr sin δｒ （8a） dsf cos δｆ＝dsr cos δｒ （8b） （8b）式から、 dsr＝（cos δf/cos δｒ）dsf （9a） また、（9a）式を（8a）式に代入すると、 ｄΨ＝（sin δｆ−cos δf tan δｒ）dsf （9b） が得られる。

ここで、現在の前輪の位置を後輪が占めるまでにｎ−１
個の距離ステップを要するものとする。従って、各距離
ステップに於ける前後輪の転舵角及び車輌の絶対空間座
標に対するヨー角Ψが により与えられる。前記した実施例の場合と同様に、各
時点に於ける後輪の位置に於ける、前輪の過去の軌跡の
接線方向に後輪の転舵方向を常に一致させるためには、
各時点に於ける後輪の転舵角は、次の式により与えられ
る。

但し、ｄΨ（ｉ）＝Ψ（ｉ＋１）−Ψ（ｉ）。

第10図は、実存する左右前後輪に加えて、仮想的な中央
前後輪を想定した場合に、各車輪の転舵角を車輌の旋回
中心Ｏと共に示す平面図である。よく知られた幾何学的
関係により、第10図を考慮して、以下の（11）〜（16）
式が得られる。

cot δfr＝cot δｆ−bf/2Lf （11） cot δfl＝cot δｆ＋bf/2Lf （12） cot δrr＝cot δｒ＋br/2Lr （13） cot δfl＝cot δｒ−br/2Lr （14） 但し、δｆ＝δｒの場合を除く。

第11図は、本実施例のアルゴリズムを説明するためのフ
ロー図である。各時点に於ける仮想前輪の舵角δｆ、前
輪走行距離sf及び仮想後輪の舵角δｒから、（９）式を
用いてヨー角の変化量ｄΨを求める。続いて、仮想前輪
舵角δｆ、前輪走行距離の変化量dsf及びヨー角の変化
量ｄΨを各距離ステップｉ＝１、…、ｎ毎に記憶する。

ここで、後輪の位置sr（ｎ）が、前輪の過去の位置P1に
一致した状態から１ステップ進行した場合（Qn→Qn＋
１）、後輪の新たな位置Qn＋１が、前輪の次の位置P2を
越える場合と越えない場合とがあるが、前者の場合に
は、第12図に示したように、新たな演算サイクルに於け
る前輪走行距離sfの最初のステップ長dsf（１）とし
て、 dsf（１）−dsr（１） （17a） を用いると良い。この場合には、データ点のシフトは行
われず、演算を行うデータ点の数が１つ増える。

後者の場合、即ち後輪の新たな位置Qn＋１が前輪の次の
位置P2を越えない場合、第13図に示したように、新たな
演算サイクルに於ける前輪走行距離sfの最初のステップ
長dsf（１）として、 dsf（１）−dsr（１）＋dsf（２） （17b） を用いると良い。このとき、元のsf（１）はクリアさ
れ、各データ点は１つ新しい点にシフトされる。

ここで、（９）式に於いて、ヨー角変化が、前輪走行距
離のステップ長の変化に依存することから、第12図に示
した場合にあっては、新たな演算サイクルに於けるｄΨ
（１）として、 ｄΨ（１） ×｛（dsf（１）−dsr（１））/dsf（１）｝ （18a） を用い、第13図に示した場合にあっては、新たな演算サ
イクルに於けるｄΨ（１）として、 ｄΨ（２） ×｛１−（dsr（１）−dsf（１））/dsf（１）｝ （18
b） 用いると良い。

このようにして、（10）式により、各時点に於ける仮想
後輪の転舵角δｒを求める。このとき、車輌が停止して
いるときや、速度の遅いときに、メモリーがオーバーフ
ローするのを防ぐために、ある一定距離以上走行しない
とデータを取り込まないように制限を設ける。また、イ
ニシャルデータとして、前輪舵角ゼロ、ヨー角ゼロ、前
輪走行距離としてホイールベース長が、それぞれ設定さ
れており、発進時及び後退時には、内部データをイニシ
ャライズするようになっている。

前記したように、前後の左右輪は、仮想前後輪と同一の
旋回中心を有する角度に転舵されなければならない。そ
こで、仮想中央前後輪の舵角δｆ、δｒを求め、次に
（11）式〜（16）式により左右前輪の舵角δfl,δfr及
び左右後輪の舵角δrl及びδrrを算出し、実際の車輪を
これらの値により与えられる角度に転舵する。

第14図はこのようなアルゴリズムに基づき前後輪の転舵
角を制御し得る前後輪操舵車輌をモデル化して示すもの
で、前輪102、103及び後輪104、105は、それぞれ独立し
た転舵用モータ106〜109により転舵され、各転舵用モー
タは、モータドライバ111を介して、制御用コンピュー
タ110により制御される。各車輪102〜105の転舵角、操
舵輪116の操舵角、車体101のヨーレイト、車体101の絶
対的な方位及び車速が、転舵角センサ112〜115、操舵角
センサ117、レイトジャイロ118、方位計119、車速セン
サ120によりそれぞれ検出され、それらの出力信号が制
御用コンピュータ110に供給される。

一般に、前後輪の軌跡が一致するように後輪を操舵する
必要があるのは、低速でＳ字、クランク等の複雑な道を
走行する場合に限られる。そこで、低速時のみ前後輪の
軌跡が同一となるように後輪を制御し、ある一定車速以
上でこの制御を適用しないようにすることが考えられ
る。第15図は、車速に対する舵角ゲインの一例を示す。
極低速時には、前後輪の軌跡が同一となるように２輪モ
デルの後輪舵角指令値をそのまま出力するが、車速が上
がるに従い、Ｉの領域のようなゲインを設け、後輪舵角
を小さくし、車輌が急激に旋回するのを防ぐ。その他の
速度領域II、IIIでは、車速に応じて前輪舵角に対する
後輪の舵角比を決定すれば、既存の車速応動型４輪操舵
車の動作を得ることができる。また、車速に限らず、操
舵輪に於ける操舵角に対して後輪舵角を決定すれば舵角
応動型４輪操舵車の動作を得ることができる。更に後輪
舵角をゼロに固定すれば通常の前２輪操舵車と同じ結果
を得ることができる。

〈発明の効果〉 このように本発明よれば、比較的簡単なアルゴリズムに
基づき後輪を転舵することにより車輌の取回し性を大幅
に改善することができ、その効果は極めて大である。更
に、本発明は４輪乗用車のみならず、種々の産業用或い
は土木用車輌、トレーラ、その他４輪以上の複数の車輪
を有する前後車輪操舵車輌に広く応用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は前輪のみが操舵可能である従来形式の車輌に於
ける車輌の軌跡を示す。 第２図は通常の４輪操舵車輌に於ける車輌の軌跡を示
す。 第３図は通常の４輪操舵車輌に於ても非定常の旋回を行
う場合に前後輪の軌跡間に偏差が発生することを示す説
明図である。 第４図は本発明に基づき後輪を転舵する車輌に於ける前
後車輪の軌跡を示す説明図である。 第５図は本発明に基づく後輪の制御方法を説明するため
のモデル図である。 第６図は本発明に基づく方法が適用される前後輪操舵車
輌の概略的な構造を示す平面図である。 第７図及び第８図は本発明に基づく後輪の制御方法を実
施するための異なる実施例を示すブロック図である。 第９図は前後輪の舵角、ヨー角、前後輪の走行距離の関
係を得るための幾何学的説明図である。 第10図は本発明に基づく転舵方法を説明するための模式
的平面図である。 第11図は仮想的中央輪を用いる本発明に基づく後輪の制
御方法を示すフロー図である。 第12図及び第13図は、前後輪走行距離のステップ長の違
いによる演算実行上の問題を回避する方法を示すための
ダイヤグラム図である。 第14図は本発明に基づく方法の異なる実施例が適用され
る前後輪操舵車輌の概略的な構造を示す平面図である。 第15図は後輪の転舵角を車速に応じて所定の割合で修正
を行なう方法を示すためのグラフである。 １……車体、２……前輪 ３……後輪、４、５……軌跡 ６……操舵輪 ７、８……ステアリングギヤボックス ９……モータ、10……コンピュータ 11、12……舵角センサ 13a、13b、14a、14b……走行距離操センサ 15……レイトジャイロ、16……方位計 20……走行距離演算回路 21……遅延回路、22……メモリ 23……積分器、30……走行距離演算回路 31……遅延回路、32……メモリ 33……乗算器、34……積分器 101……車体、102、103……前輪 104、105……後輪 106〜109……転舵用モータ 110……コンピュータ 111……モータドライバ 112〜115……転舵角センサ 116……操舵輪、117……操舵角センサ 118……レイトジャイロ 119……方位計、20……車速センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】左右一対の車輪からなる前後輪を共に転舵
   可能なようにしてなる前後輪操舵車輌に於て、車体の前
   後方向中心線上にある仮想的中央後輪が、車体の前後方
   向中心線上にある仮想的中央前輪の軌跡をなぞるように
   転舵するための後輪転舵角制御方法であって、 ある点上に於ける後輪の転舵角を、その点上に前輪があ
   った時点の車体ヨー角度とその点上に後輪がきた時点の
   車体ヨー角度との変化量をその点上に於ける前輪の転舵
   角から減算した値に対して車速領域に応じて定められた
   所定の修正係数を乗算して得た値に設定することを特徴
   とする後輪転舵角制御方法。