CN118215617A - 转向操纵装置 - Google Patents

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CN118215617A CN202180104128.0A CN202180104128A CN118215617A CN 118215617 A CN118215617 A CN 118215617A CN 202180104128 A CN202180104128 A CN 202180104128A CN 118215617 A CN118215617 A CN 118215617A
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罗伯特·富克斯
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Abstract

转向操纵装置包括：转向角控制用的电动马达；手动转向操纵角指令值运算部，基于包括转向操纵转矩以及反作用力控制增益的运动方程式，来运算手动转向操纵角指令值；综合角度指令值运算部，对驾驶辅助用的自动转向操纵角指令值加上手动转向操纵角指令值，来运算综合角度指令值；控制部，基于综合角度指令值，对电动马达进行角度控制；以及反作用力控制增益设定部，使用转向操纵转矩、车辆信息以及道路信息，来设定反作用力控制增益。

Description

转向操纵装置
技术领域
本发明涉及转向操纵装置。
背景技术
在下述专利文献1中公开一种马达控制装置，其包括：手动转向操纵指令值运算部，使用转向操纵转矩来运算手动转向操纵指令值；综合角度指令值运算部，对自动转向操纵指令值加上手动转向操纵指令值来运算综合角度指令值；以及控制部，基于综合角度指令值，对电动马达进行角度控制。
专利文献1：日本特开2019-194059号公报
在专利文献1所记载的马达控制装置中，在驾驶辅助模式时，无法进行充分地反映了驾驶员的意图的转向操纵控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在驾驶辅助模式时，能够进行充分地反映了驾驶员的意图的转向操纵控制的转向操纵装置。
本发明的一个实施方式提供一种转向操纵装置，其中，包括：转向角控制用的电动马达；手动转向操纵角指令值运算部，基于包括转向操纵转矩以及反作用力控制增益的运动方程式，来运算手动转向操纵角指令值；综合角度指令值运算部，对驾驶辅助用的自动转向操纵角指令值加上上述手动转向操纵角指令值，来运算综合角度指令值；控制部，基于上述综合角度指令值，对上述电动马达进行角度控制；以及反作用力控制增益设定部，使用上述转向操纵转矩、车辆信息以及道路信息，来设定上述反作用力控制增益。
在该结构中，在驾驶辅助模式时，能够进行充分地反映了驾驶员的意图的转向操纵控制。
关于本发明中的上述的或者其他的目的、特征以及效果，通过参照附图在以下叙述的实施方式的说明而变得明确。
附图说明
图1是表示应用了本发明的一个实施方式的转向操纵装置的电动动力转向***的概略结构的示意图。
图2是用于对马达控制用ECU的电气结构进行说明的框图。
图3是表示角度控制部的结构的框图。
图4是表示电动动力转向***的物理模型的结构例的示意图。
图5是表示干扰转矩推断部的结构的框图。
图6是表示转矩控制部的结构的示意图。
图7是表示驾驶员目标横向偏差设定部的结构的框图。
图8是用于对驾驶员目标横向偏差运算部的动作进行说明的示意图。
图9是表示用于主要使用驾驶员目标横向偏差Δymd来变更目标行驶路径的上位ECU的结构的框图。
图10是用于对修正路径候补生成部的动作进行说明的示意图。
图11是表示修正路径候补的例子的示意图。
图12是用于对目标行驶路径生成部的动作进行说明的示意图。
具体实施方式
[本发明的实施方式的说明]
本发明的一个实施方式提供一种转向操纵装置，其中，包括：转向角控制用的电动马达；手动转向操纵角指令值运算部，基于包括转向操纵转矩以及反作用力控制增益的运动方程式，来运算手动转向操纵角指令值；综合角度指令值运算部，对驾驶辅助用的自动转向操纵角指令值加上上述手动转向操纵角指令值，来运算综合角度指令值；控制部，基于上述综合角度指令值，对上述电动马达进行角度控制；以及反作用力控制增益设定部，使用上述转向操纵转矩、车辆信息以及道路信息，来设定上述反作用力控制增益。
在该结构中，在驾驶辅助模式时，能够进行充分地反映了驾驶员的意图的转向操纵控制。
在本发明的一个实施方式中，上述反作用力控制增益设定部包括：驾驶员目标转向操纵角推断部，使用上述转向操纵转矩、上述车辆信息以及道路信息，来推断驾驶员目标转向操纵角；以及反作用力控制增益运算部，使用上述驾驶员目标转向操纵角，来运算上述反作用力控制增益。
在本发明的一个实施方式中，上述反作用力控制增益设定部包括：驾驶员目标转向操纵角推断部，使用上述转向操纵转矩、上述车辆信息以及道路信息，来推断驾驶员目标转向操纵角；驾驶员转矩控制增益推断部，使用上述驾驶员目标转向操纵角、上述转向操纵转矩以及上述电动马达的旋转角，来推断驾驶员转矩控制增益；以及反作用力控制增益运算部，使用上述驾驶员转矩控制增益，来运算上述反作用力控制增益。
在本发明的一个实施方式中，上述车辆信息是车速，上述道路信息是道路的曲率。
在本发明的一个实施方式中，上述转向操纵装置还包括路径变更部，上述路径变更部使用上述转向操纵转矩或者上述手动转向操纵角指令值和上述车辆信息，变更用于上述自动转向操纵角指令值的运算的目标行驶路径。
在本发明的一个实施方式中，上述路径变更部包括：驾驶员目标横向偏差运算部，使用上述转向操纵转矩或者上述手动转向操纵角指令值和上述车辆信息，来运算规定时间后的驾驶员目标横向偏差；修正行驶路径生成部，使用上述驾驶员目标横向偏差与基于视觉信息的目标行驶路径之间的规定时间后的横向偏差，来生成修正行驶路径；以及目标行驶路径生成部，通过基于上述修正行驶路径修正上述基于视觉信息的目标行驶路径，来生成最终的目标行驶路径。
在本发明的一个实施方式中，上述车辆信息是车速以及与上述基于视觉信息的目标行驶路径之间的当前的横向偏差。
[本发明的实施方式的详细的说明]
以下，参照附图来详细地说明本发明的实施方式。
图1是表示应用了本发明的一个实施方式的马达控制装置的电动动力转向***的概略结构的示意图。
电动动力转向***1具备：方向盘(手柄)2，作为用于使车辆转向的转向操纵部件；转向机构4，与该方向盘2的旋转联动地使转向轮3转向；以及转向操纵辅助机构5，用于辅助驾驶员的转向操纵。方向盘2和转向机构4经由转向轴6以及中间轴7而机械式地连结。
转向轴6包括：与方向盘2连结的输入轴8、以及与中间轴7连结的输出轴9。输入轴8与输出轴9经由扭杆10连结为能够相对旋转。
在扭杆10的附近配置有转矩传感器12。转矩传感器12基于输入轴8以及输出轴9的相对旋转位移量，检测给予到方向盘2的扭杆转矩Ttb。在该实施方式中，关于由转矩传感器12检测的扭杆转矩Ttb，例如，用于向左方向的转向操纵的转矩被检测为正值，用于向右方向的转向操纵的转矩被检测为负值，其绝对值越大，则扭杆转矩Ttb的大小越大。扭杆转矩Ttb是本发明的“转向操纵转矩”的一个例子。
转向机构4由包括小齿轮轴13和作为转向轴的齿条轴14的齿轮齿条机构构成。在齿条轴14的各端部经由横拉杆15以及转向节臂(省略图示)连结有转向轮3。小齿轮轴13与中间轴7连结。小齿轮轴13与方向盘2的转向操纵联动地旋转。在小齿轮轴13的前端连结有小齿轮16。
齿条轴14沿着车辆的左右方向呈直线状延伸。在齿条轴14的轴向的中间部形成有与小齿轮16啮合的齿条17。通过该小齿轮16以及齿条17，将小齿轮轴13的旋转转换为齿条轴14的轴向移动。通过使齿条轴14在轴向上移动，能够使转向轮3转向。
若方向盘2被转向操纵(旋转)，则该旋转经由转向轴6以及中间轴7传递到小齿轮轴13。而且，小齿轮轴13的旋转通过小齿轮16以及齿条17转换为齿条轴14的轴向移动。由此，转向轮3转向。
转向操纵辅助机构5包括：电动马达18，用于产生转向操纵辅助力(辅助转矩)；以及减速机19，用于放大电动马达18的输出转矩并传递到转向机构4。减速机19由包括蜗杆20和与该蜗杆20啮合的蜗轮21的蜗杆机构构成。减速机19收纳在作为传递机构壳体的齿轮壳体22内。
以下，存在用N表示减速机19的减速比(齿轮比)的情况。减速比N被定义为蜗杆20的旋转角即蜗轮角θwg相对于蜗轮21的旋转角即蜗轮角θww的比(θwg/θww)。
蜗杆20由电动马达18旋转驱动。另外，蜗轮21与输出轴9连结为能够一体旋转。
若通过电动马达18对蜗杆20进行旋转驱动，则蜗轮21被旋转驱动，对转向轴6施加马达转矩，并且转向轴6(输出轴9)旋转。而且，转向轴6的旋转经由中间轴7传递给小齿轮轴13。小齿轮轴13的旋转被转换为齿条轴14的轴向移动。由此，转向轮3转向。即，通过电动马达18对蜗杆20进行旋转驱动，从而能够进行基于电动马达18的转向操纵辅助、转向轮3的转向。在电动马达18设置有用于检测电动马达18的转子的旋转角的旋转角传感器23。
作为施加给输出轴9(电动马达18的驱动对象的一个例子)的转矩，有基于电动马达18的马达转矩和马达转矩以外的干扰转矩Tlc。在马达转矩以外的干扰转矩Tlc中包括扭杆转矩Ttb、路面负荷转矩(路面反作用力转矩)Trl、摩擦转矩Tf等。
扭杆转矩Ttb是通过由驾驶员施加给方向盘2的力、由转向惯性产生的力等，而从方向盘2侧施加给输出轴9的转矩。
路面负荷转矩Trl是通过在轮胎产生的自对准转矩、由悬架、轮胎对准产生的力、齿轮齿条机构的摩擦力等，从转向轮3侧经由齿条轴14施加给输出轴9的转矩。
在车辆搭载有拍摄车辆的行进方向前方的道路的CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合器件)相机25、用于检测本车位置的GPS(Global Positioning System：全球定位***)26、用于检测道路形状、障碍物的雷达27、存储有地图信息的地图信息存储器28、用于检测车速vx的车速传感器29等。
CCD相机25、GPS26、雷达27、地图信息存储器28以及车速传感器29与用于进行驾驶辅助控制的上位ECU(ECU：Electronic Control Unit(电子控制单元))201连接。上位ECU201基于由CCD相机25、GPS26、雷达27以及车速传感器29得到的信息、地图信息等，进行周边环境识别、本车位置推断、路径计划等，进行转向操纵、驱动致动器的控制目标值的决定。
在该实施方式中，作为驾驶模式，有通常模式和驾驶辅助模式。在该实施方式中，上位ECU201在驾驶辅助模式时，除了基于由CCD相机25、GPS26、雷达27以及车速传感器29得到的信息以及地图信息之外，还基于从马达控制用ECU202给予的驾驶员目标横向偏差Δymd，来生成用于驾驶辅助模式的自动转向操纵角指令值θa。在该实施方式中，驾驶辅助是用于使车辆自动追随车道中央(车道中心)的车道居中辅助(LCA)。自动转向操纵角指令值θa是用于使车辆沿着车道中央行驶的转向操纵角(在该实施方式中为小齿轮轴13的旋转角)的目标值。
另外，上位ECU201在驾驶辅助模式时，生成车速vx、道路的曲率半径ρ、与基于视觉信息的目标行驶路径之间的经过规定时间后的横向偏差Δymd以及在后述的反作用力控制增益运算部55(参照图2)中使用的权重系数κ。基于视觉信息的目标行驶路径是主要基于由CCD相机25得到的视觉信息，为了使车辆沿着车道中央行驶而生成的目标行驶路径。另外，上位ECU201生成表示驾驶模式是通常模式还是驾驶辅助模式的模式信号Smode。模式信号Smode、自动转向操纵角指令值θa、车速vx、曲率半径ρ、横向偏差Δymd以及权重系数κ经由车载网络而给予到马达控制用ECU202。
由转矩传感器12检测的扭杆转矩Ttb、旋转角传感器23的输出信号被输入到马达控制用ECU202。马达控制用ECU202基于这些输入信号以及从上位ECU201给予的信息，控制电动马达18。
图2是表示马达控制用ECU202的电气结构的框图。
以下，主要对驾驶模式为驾驶辅助模式的情况下的动作进行说明。
马达控制用ECU202具备：微型计算机50；驱动电路(逆变器电路)41，由微型计算机50控制，对电动马达18供给电力；以及电流检测电路42，用于检测流过电动马达18的电流(以下，称为“马达电流Im”)。
微型计算机50具备CPU以及存储器(ROM、RAM、非易失性存储器等)，通过执行规定的程序，而作为多个功能处理部发挥功能。该多个功能处理部包括：旋转角运算部51、减速比除法部52、驾驶员目标转向操纵角推断部53、驾驶员转矩控制增益推断部54、反作用力控制增益运算部55、反作用力设定部56、手动转向操纵角指令值运算部57、综合角度指令值运算部58、角度控制部59、转矩控制部60、驾驶员目标横向偏差设定部61。
在该实施方式中，通过驾驶员目标转向操纵角推断部53、驾驶员转矩控制增益推断部54、反作用力控制增益运算部55而构成本发明的“反作用力控制增益设定部”。
旋转角运算部51基于旋转角传感器23的输出来运算电动马达18的转子的旋转角(转子旋转角)θm。减速比除法部52通过用由旋转角运算部51运算的转子旋转角θm除以减速比N，来将转子旋转角θm转换为小齿轮轴13的旋转角即小齿轮角(转向操纵角)θp。
驾驶员目标转向操纵角推断部53基于扭杆转矩Ttb、从上位ECU201给予的车速vx以及曲率半径ρ，来推断与驾驶员想要前进的方向对应的转向操纵角(以下，称为“驾驶员目标转向操纵角θd”。)。用^θd表示θd的推断值。
驾驶员目标转向操纵角^θd基于下式(1)来运算。
[数学式1]
数学式1
在式(1)中，各符号的含义如下所述。
θenv：根据道路形状(曲率＝1/ρ)，为了追随目标行驶路径所需要的转向操纵角
θint：与驾驶员输入对应的转向操纵角
Rs：过滚动齿轮比(方向盘2的旋转角与转向轮3的转向角的比)
M：车辆重量
lf：从车辆重心到前轮的车轴为止的车辆的前后方向距离
lr：从车辆重心到后轮的车轴为止的车辆的前后方向距离
Cf：前轮的侧偏刚度
Cr：后轮的侧偏刚度
Jsw：方向盘2的惯性
t：当前时刻
Δt：规定时间
驾驶员转矩控制增益推断部54基于驾驶员目标转向操纵角^θd、小齿轮角θp以及扭杆转矩Ttb，推断驾驶员转矩控制增益kd、cd。
在该实施方式中，若将驾驶员输入到方向盘2的转矩设为驾驶员转矩Td，则假定驾驶员转矩Td由下式(2)表示。
[数学式2]
数学式2
在式(2)中，θd是驾驶员目标转向操纵角，θsw是方向盘2的旋转角。kd是用于规定驾驶员转矩的弹簧常数，cd是用于规定驾驶员转矩的粘性衰减系数。kd以及cd是用于规定驾驶员转矩的控制增益。即，在该实施方式中，假定利用驾驶员转矩控制增益kd、cd追随驾驶员目标转向操纵角θd。
驾驶员转矩控制增益推断部54使用下式(3)的卡尔曼滤波器状态方程式以及下式(4)的卡尔曼滤波器观测方程式，推断驾驶员转矩控制增益kd、cd。用^kd以及^cd表示kd以及cd的推断值。
[数学式3]
数学式3
[数学式4]
数学式4
在式(3)中，K是卡尔曼滤波器增益，Ktb是扭杆10的刚度。
反作用力控制增益运算部55基于驾驶员转矩控制增益^kd、^cd和从上位ECU201给予的权重系数κ，来运算用于规定针对驾驶员的转向操纵反作用力的反作用力控制增益ka、ca。ka是用于规定针对驾驶员的转向操纵反作用力的弹簧常数，ca是用于规定针对驾驶员的转向操纵反作用力的粘性衰减系数。
反作用力控制增益运算部55基于下式(5)，来运算反作用力控制增益ka、ca。
[数学式5]
数学式5
在式(5)中，ka，st是预先设定的弹簧常数ka的基准值。ca，st是预先设定的粘性衰减系数ca的基准值。
权重系数κ基于周围的状况等来设定。权重系数κ例如被设定为1、0或者-1。
在κ＝1的情况下，若驾驶员转矩控制增益^kd、^cd增加，则反作用力控制增益ka、ca减少。此时，驾驶员容易进行转向操纵。上位ECU201例如在即使驾驶员进行转向操纵而风险也较低的状况下，将κ设定为1。在这样的情况下，上位ECU201并不局限于将κ设定为1，也可以设定为1以上的值。
在κ＝0的情况下，不论驾驶员转矩控制增益^kd、^cd的值如何，反作用力控制增益ka、ca为恒定值。
在κ＝-1的情况下，若驾驶员转矩控制增益^kd、^cd增加，则反作用力控制增益ka、ca也增加。此时，成为不允许驾驶员的转向操纵介入的驾驶辅助优先的控制。上位ECU201例如在驾驶员进行转向操纵的情况下风险较高的状况下，将κ设定为-1。在这样的情况下，上位ECU201并不局限于将κ设定为-1，也可以设定为-1以下的值。
反作用力设定部56基于反作用力控制增益ka、ca、小齿轮角θp以及从上位ECU201给予的自动转向操纵角指令值θa，设定针对驾驶员的转向操纵反作用力Ta。具体而言，反作用力设定部56基于下式(6)设定转向操纵反作用力Ta。
[数学式6]
数学式6
转向操纵反作用力Ta在小齿轮角θp与自动转向操纵角指令值θa相等的情况下为0。若小齿轮角θp与自动转向操纵角指令值θa之差的绝对值越大，则转向操纵反作用力Ta的绝对值越大。
手动转向操纵角指令值运算部57是为了在驾驶员操作方向盘2的情况下，将与该方向盘操作对应的转向操纵角(在该实施方式中为小齿轮轴13的旋转角)设定为手动转向操纵角指令值θmdac而设置的。
手动转向操纵角指令值运算部57基于转向操纵反作用力Ta、扭杆转矩Ttb、包括下柱(Lower Column)的单一惯性模型(基准EPS模型)中的柱惯性Jc，来运算手动转向操纵角指令值θmd。具体而言，手动转向操纵角指令值运算部57通过求解下式(7)的微分方程式，来运算手动转向操纵角指令值θmd。
[数学式7]
数学式7
综合角度指令值运算部58通过对自动转向操纵角指令值θa加上手动转向操纵角指令值θmd，来运算综合角度指令值θs。
角度控制部59基于综合角度指令值θs，来运算与综合角度指令值θs对应的综合马达转矩指令值Tms。关于角度控制部59的详细情况，后述说明。
转矩控制部60对驱动电路41进行驱动，以使得电动马达18的马达转矩接近马达转矩指令值Tms。
关于驾驶员目标横向偏差设定部61，后述说明。
图3是表示角度控制部59的结构的框图。
角度控制部59基于综合角度指令值θs，来运算综合马达转矩指令值Tms。角度控制部59包括低通滤波器(LPF)71、反馈控制部72、前馈控制部73、干扰转矩推断部74、转矩加法部75、干扰转矩补偿部76、减速比除法部77、减速比乘法部78。
减速比乘法部78通过使由减速比除法部77运算的马达转矩指令值Tms乘以减速机19的减速比N，而将马达转矩指令值Tms换算为作用于小齿轮轴13的小齿轮轴转矩指令值N·Tms。
低通滤波器71针对综合角度指令值θs进行低通滤波处理。低通滤波处理后的综合角度指令值θsl被给予到反馈控制部72以及前馈控制部73。
反馈控制部72是为了使小齿轮角θp接近低通滤波处理后的综合角度指令值θsl而设置的。反馈控制部72包括角度偏差运算部72A和PD控制部72B。角度偏差运算部72A运算综合角度指令值θsl与小齿轮角θp的偏差Δθ(＝θsl-θp)。此外，角度偏差运算部72A也可以将综合角度指令值θsl与由干扰转矩推断部74运算的转向操纵角推断值^θp的偏差(θsl-^θp)运算为角度偏差Δθ。
PD控制部72B通过对由角度偏差运算部72A运算的角度偏差Δθ进行PD运算(比例微分运算)，来运算反馈控制转矩Tfb。反馈控制转矩Tfb被给予到转矩加法部75。
前馈控制部73是为了补偿由电动动力转向***1的惯性引起的响应性的延迟，提高控制的响应性而设置的。前馈控制部73包括角加速度运算部73A、惯性乘法部73B。角加速度运算部73A通过对综合角度指令值θsl进行二阶微分，来运算目标角加速度d2θsl/dt2。
惯性乘法部73B通过使由角加速度运算部73A运算出的目标角加速度d2θsl/dt2乘以电动动力转向***1的惯性J，来运算前馈控制转矩Tff(＝J·d2θsl/dt2)。惯性J例如根据后述的电动动力转向***1的物理模型(参照图4)求出。前馈控制转矩Tff作为惯性补偿值，被给予到转矩加法部75。
转矩加法部75通过对反馈控制转矩Tfb加上前馈控制转矩Tff，来运算基本转矩指令值(Tfb+Tff)。
干扰转矩推断部74是为了推断在设备(电动马达18的控制对象)中作为干扰产生的非线性转矩(干扰转矩：马达转矩以外的转矩)而设置的。干扰转矩推断部74基于小齿轮轴转矩指令值N·Tms、小齿轮角θp，来推断干扰转矩(干扰负荷)Tlc、小齿轮角θp以及小齿轮角微分值(角速度)dθp/dt。分别用^Tlc、^θp以及d^θp/dt表示干扰转矩Tlc、小齿轮角θp以及小齿轮角微分值dθp/dt的推断值。关于干扰转矩推断部74的详细情况，后述说明。
由干扰转矩推断部74运算出的干扰转矩推断值^Tlc作为干扰转矩补偿值被给予到干扰转矩补偿部76。
干扰转矩补偿部76通过从基本转矩指令值(Tfb+Tff)减去干扰转矩推断值^Tlc，来运算综合转向操纵转矩指令值Tps(＝Tfb+Tff-^Tlc)。由此，得到补偿了干扰转矩后的综合转向操纵转矩指令值Tps(针对小齿轮轴13的转矩指令值)。
综合转向操纵转矩指令值Tps被给予到减速比除法部77。减速比除法部77通过用综合转向操纵转矩指令值Tps除以减速比N，来运算综合马达转矩指令值Tms。该综合马达转矩指令值Tms被给予到转矩控制部60(参照图2)。
详细地说明干扰转矩推断部74。干扰转矩推断部74例如由使用图4所示的电动动力转向***1的物理模型101来推断干扰转矩Tlc、小齿轮角θp以及小齿轮角速度dθp/dt的干扰观测器构成。
该物理模型101包括设备(马达驱动对象的一个例子)102，该设备102包括输出轴9以及固定于输出轴9的蜗轮21。对设备102，从方向盘2经由扭杆10给予扭杆转矩Ttb，并且从转向轮3侧给予路面负荷转矩Trl。
并且，对设备102，经由蜗杆20给予小齿轮轴转矩指令值N·Tms，并且通过蜗轮21与蜗杆20之间的摩擦来给予摩擦转矩Tf。
若将设备102的惯性设为J，则关于物理模型101的惯性的运动方程式由下式(8)表示。
[数学式8]
数学式8
Tlc＝Ttb+Trl+Tf
d2θp/dt2是设备102的角加速度。N是减速机19的减速比。Tlc表示给予到设备102的马达转矩以外的干扰转矩。该实施方式中，干扰转矩Tlc被表示为扭杆转矩Ttb与路面负荷转矩Trl与摩擦转矩Tf的和，但实际上，干扰转矩Tlc包括它们以外的转矩。
针对图4的物理模型101的状态方程式由下式(9)表示。
[数学式9]
数学式9
在式(9)中，x是状态变量矢量，u1是已知输入矢量，u2是未知输入矢量，y是输出矢量(测定值)。另外，在式(9)中，A是***矩阵，B1是第一输入矩阵，B2是第二输入矩阵，C是输出矩阵，D是直达矩阵。
将上述状态方程式扩展为包括未知输入矢量u2作为状态之一的***。扩展***的状态方程式(扩展状态方程式)由下式(10)表示。
[数学式10]
数学式10
在上述式(10)中，xe是扩展***的状态变量矢量，由下式(11)表示。
[数学式11]
数学式11
在上述式(10)中，Ae是扩展***的***矩阵，Be是扩展***的已知输入矩阵，Ce是扩展***的输出矩阵。
根据上述式(10)的扩展状态方程式，构建由下式(12)的方程式表示的干扰观测器(扩展状态观测器)。
[数学式12]
数学式12
在式(12)中，^xe表示xe的推断值。另外，L是观测器增益。另外，^y表示y的推断值。^xe由下式(13)表示。
[数学式13]
数学式13
在式(13)中，^θp是θp的推断值，^Tlc是Tlc的推断值。
干扰转矩推断部74基于上述式(12)的方程式来运算状态变量矢量^xe。
图5是表示干扰转矩推断部74的结构的框图。
干扰转矩推断部74包括输入矢量输入部81、输出矩阵乘法部82、第一加法部83、增益乘法部84、输入矩阵乘法部85、***矩阵乘法部86、第二加法部87、积分部88、状态变量矢量输出部89。
由减速比乘法部78(参照图3)运算的小齿轮轴转矩指令值N·Tms被给予到输入矢量输入部81。输入矢量输入部81输出输入矢量u1。
积分部88的输出为状态变量矢量^xe(参照上述式(13))。在运算开始时，给予初始值作为状态变量矢量^xe。状态变量矢量^xe的初始值例如是0。
***矩阵乘法部86使状态变量矢量^xe乘以***矩阵Ae。输出矩阵乘法部82使状态变量矢量^xe乘以输出矩阵Ce。
第一加法部83从由减速比除法部52(参照图2)运算出的小齿轮角θp即输出矢量(测定值)y减去输出矩阵乘法部82的输出(Ce·^xe)。即，第一加法部83运算输出矢量y与输出矢量推断值^y(＝Ce·^xe)的差(y-＾y)。增益乘法部84使第一加法部83的输出(y-＾y)乘以观测器增益L(参照上述式(12))。
输入矩阵乘法部85使从输入矢量输入部81输出的输入矢量u1乘以输入矩阵Be。第二加法部87通过将输入矩阵乘法部85的输出(Be·u1)、***矩阵乘法部86的输出(Ae·^xe)、增益乘法部84的输出(L(y-＾y))相加，来运算状态变量矢量的微分值d^xe/dt。积分部88通过对第二加法部87的输出(d^xe/dt)进行积分，来运算状态变量矢量^xe。状态变量矢量输出部89基于状态变量矢量^xe，来运算干扰转矩推断值^Tlc、小齿轮角推断值^θp以及小齿轮角速度推断值d^θp/dt。
一般的干扰观测器与上述的扩展状态观测器不同，由设备的逆模型和低通滤波器构成。设备的运动方程式像上述那样由式(8)表示。因此，设备的逆模型为下式(14)。
[数学式14]
数学式14
对一般的干扰观测器的输入是J·d2θp/dt2以及N·Tms，由于使用小齿轮角θp的二阶微分值，因此较大地受到旋转角传感器23的噪声的影响。与此相对，在上述的实施方式的扩展状态观测器中，通过积分型来推断干扰转矩，因此能够减少由微分引起的噪声影响。
此外，作为干扰转矩推断部74，也可以使用由设备的逆模型和低通滤波器构成的一般的干扰观测器。
图6是表示转矩控制部60的结构的示意图。
转矩控制部60(参照图2)包括马达电流指令值运算部91、电流偏差运算部92、PI控制部93、PWM(Pulse Width Modulation：脉宽调制)控制部94。
马达电流指令值运算部91通过用由角度控制部59(参照图2)运算出的马达转矩指令值Tms除以电动马达18的转矩常数Kt，来运算马达电流指令值Ims。
电流偏差运算部92运算由马达电流指令值运算部91得到的马达电流指令值Ims与由电流检测电路42检测出的马达电流Im的偏差ΔI(＝Ims-Im)。
PI控制部93通过进行针对由电流偏差运算部92运算出的电流偏差ΔI的PI运算(比例积分运算)，来生成用于将流过电动马达18的马达电流Im引导到马达电流指令值Icmd的驱动指令值。PWM控制部94生成与上述驱动指令值对应的占空比的PWM控制信号，并供给到驱动电路41。由此，与驱动指令值对应的电力被供给到电动马达18。由此，对电动马达18进行驱动控制，以使得马达转矩与马达转矩指令值Tms相等。
以下，对驾驶员目标横向偏差设定部61(参照图2)的动作以及基于上位ECU201的目标行驶路径的生成方法进行说明。
驾驶员目标横向偏差设定部61基于扭杆转矩Ttb、从上位ECU201给予的车速vx以及与基于视觉信息的目标行驶路径之间的当前的横向偏差Δyad，设定在从当前时刻t0经过规定时间ts为止驾驶员要想移动的横向距离即驾驶员目标横向偏差Δymd。
与基于视觉信息的目标行驶路径之间的当前的横向偏差Δyad是基于视觉信息的目标行驶路径与当前的车辆基准位置之间的横向距离。
图7是表示驾驶员目标横向偏差设定部61的结构的框图。
驾驶员目标横向偏差设定部61(参照图2)包括横摆率运算部111、驾驶员目标横向偏差运算部112。
横摆率运算部111使用车辆模型，根据扭杆转矩Ttb以及车速vx，来运算在假定驾驶辅助不发挥功能的情况下产生的横摆率γd、model。此外，横摆率运算部111也可以使用车辆模型，根据手动转向操纵角指令值θmd以及车速vx，来运算针对手动转向操纵角指令值θmd产生的横摆率γd、model。
如图8所示，驾驶员目标横向偏差运算部112求出在假定车速vx与横摆率γd、model恒定且在ts秒间车辆进行了稳定圆旋转的情况下的、车辆的横向的移动距离作为驾驶员目标横向偏差Δymd。在图8中，s轴(横轴)表示沿着基于视觉信息的目标行驶路径Pe的方向(纵向)的位置，d轴(纵轴)表示与沿着目标行驶路径Pe的方向正交的方向(横向)的位置。
驾驶员目标横向偏差运算部112基于下式(15)，来运算驾驶员目标横向偏差Δymd。
[数学式15]
数学式15
由驾驶员目标横向偏差设定部61设定的驾驶员目标横向偏差Δymd被给予到上位ECU201。
图9表示用于主要使用驾驶员目标横向偏差Δymd来变更目标行驶路径的上位ECU201的结构的框图。
上位ECU201包括修正路径候补生成部211、修正路径选择部212、目标行驶路径生成部213、自动转向操纵角指令值生成部214。此外，虽然未图示，但上位ECU201包括运算与基于视觉信息的目标行驶路径之间的当前的横向偏差Δyad的横向偏差运算部。
在该实施方式中，通过修正路径候补生成部211和修正路径选择部212，构成本发明中的“修正行驶路径生成部”。另外，通过驾驶员目标横向偏差运算部112、修正路径候补生成部211、修正路径选择部212、目标行驶路径生成部213，构成本发明中的“路径变更部”。
对修正路径候补生成部211的动作进行说明。如图10所示，能够测量当前的车辆的横向位置y0、横向速度dy0/dt以及横向加速度d2y0/dt2，若决定完成时间tf处的横向位置yrf，则通过将完成时间tf处的横向速度以及横向加速度设为0，从而由下式(16)表示的5次函数唯一地决定一个修正路径候补。
[数学式16]
数学式16
yr(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5...(16)
[a0 a1 a2 a3 a4 a5]′＝ArBv
此外，在该实施方式中，“修正路径”是指为了修正基于视觉信息的目标行驶路径而使用的路径。“修正路径候补”是“修正路径”的候补。另外，基于表示由修正路径候补生成部211选择的修正路径的函数yt(t)的前次值而求出当前的车辆的横向位置y0、横向速度dy0/dt以及横向加速度d2y0/dt2。
修正路径候补生成部211如下式(17)所示那样设定多个完成时间tf和完成时间tf处的横向位置yrf，针对它们的各组合，求出5次函数的系数a0、a1、a2、a3、a4以及a5。
[数学式17]
数学式17
yrf(i)＝i·W，i∈{-N，...，-1，0，1，...，N}
tf(k)＝k·Δt，k∈{1，...，M} ...(17)
在式(17)中，W是预先设定的横向(即，与沿着基于视觉信息的目标行驶路径的方向正交的方向)上的长度，Δt是预先设定的时间。
由此，如图11所示，生成多个修正路径候补。例如，在式(17)中，将i设定为-2、-1、0、1、2这5个种类，将k设定为1、2、3、4、5这5个种类的情况下，生成25个修正路径候补。
修正路径选择部212从由修正路径候补生成部211生成的多个修正路径候补中选择最佳的修正路径候补作为修正路径。
修正路径选择部212首先基于式(18)，针对多个修正路径候补中的各个，基于车辆追随该修正路径候补时的车辆的横向加速度d2y r/dt2的微分值即急动度来运算成本Jy(i，k)。
[数学式18]
数学式18
此外，作为式(18)的右边的系数a0、a1、a2、a3、a4以及a5，使用与左边的Jy(i，k)中的(i，k)对应的系数并且是根据式(16)求出的系数a0、a1、a2、a3、a4以及a5。另外，作为tf，使用与左边的Jy(i，k)中的k对应的式(17)的tf(k)。
接下来，如下式(19)所示，修正路径选择部212针对多个修正路径候补中的各个，根据与急动度对应的成本Jy(i，k)、完成时间tf(k)、横向位置yrf(i)与横向偏差Δyad的差分、横向位置yrf(i)与横向偏差Δymd的差分，生成成本函数Cy(i，k)。
[数学式19]
数学式19
Cy(i,k))＝kJJy(i,k)+ktftf(k)
+kad(yrf(i)△yad)2+kmd(yrf(i)△ymd)2...(19)
在式(19)中，kj、Kt、kmd以及kmd是预先设定的权重。若与急动度对应的成本Jy(i，k)较大则完成时间tf(k)较早，因此与急动度对应的成本Jy(i，k)与完成时间tf(k)处于折衷的关系。若与急动度对应的成本Jy(i，k)较大则乘坐舒适性有可能恶化，但若与急动度对应的成本Jy(i，k)较小则完成时间变大。另外，在式(19)中，(yrf(i)-Δyad)是修正路径候补与驾驶辅助的目标值之差，(yrf(i)-Δymd)是修正路径候补与手动驾驶的目标值之差。
作为修正路径，优选急动度小，并且完成时间早，并且(yrf(i)-Δyad)2小，并且(yrf(i)-Δymd)2小。
因此，修正路径选择部212从多个修正路径候补中，选择成本函数Cy(i，k)最小的修正路径候补作为最佳的修正路径。
目标行驶路径生成部213基于由修正路径选择部212选择的修正路径来修正视觉信息的目标行驶路径，由此生成最终的目标行驶路径。
具体而言，如图12所示，目标行驶路径生成部213通过对基于视觉信息的目标行驶路径301加上由修正路径选择部212选择的修正路径302，来生成最终的目标行驶路径303。如图12所示，基于视觉信息的目标行驶路径301在以车辆的前后方向的位置为x轴、以车辆的左右方向的位置为y轴的坐标系中表示。在图12的例子中，另外，表示与k＝4并且i＝1对应的修正路径候补被选择为修正路径的情况下的例子。
自动转向操纵角指令值生成部214生成用于使车辆沿着由目标行驶路径生成部213生成的目标行驶路径移动的自动转向操纵角指令值θa。
此外，在驾驶模式为通常模式的情况下，设置在马达控制用ECU202内的辅助转矩指令值设定部(在图2中未图示)使用扭杆转矩Ttb设定辅助转矩指令值。而且，转矩控制部60仅基于辅助转矩指令值，对驱动电路41进行驱动。
在上述的实施方式中，基于驾驶员目标转向操纵角推断部53来设定反作用力控制增益ka、ca，因此在驾驶辅助模式中，能够进行充分地反映了驾驶员的意图的转向操纵控制。
并且，在上述的实施方式中，能够基于由驾驶员目标横向偏差设定部61设定的驾驶员目标横向偏差Δymd，修正基于视觉信息的目标行驶路径(能够变更目标行驶路径)，因此在驾驶辅助模式中，能够进行充分地反映了驾驶员的意图的转向操纵控制。由此，能够制作驾驶员与***的适当的相互作用状态。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明还能够以其他的方式实施。例如，在上述的实施方式中，驾驶员转矩控制增益推断部54基于驾驶员目标转向操纵角^θd、小齿轮角θp以及扭杆转矩Ttb，推断弹簧常数kd和粘性衰减系数cd双方，但也可以仅推断弹簧常数kd与粘性衰减系数cd中的任一方。在该情况下，仅在反作用力控制增益ka、ca中的、与由驾驶员转矩控制增益推断部54推断出的一个驾驶员转矩控制增益对应的反作用力控制增益中反映驾驶员转矩控制增益的推断值。
另外，在上述的实施方式中，反作用力控制增益运算部55(参照图2)基于驾驶员转矩控制增益^kd、^cd和从上位ECU201给予的权重系数κ，来运算反作用力控制增益ka、ca。然而，权重系数κ也可以是在马达控制用ECU202预先设定的固定值。
另外，在上述的实施方式中，角度控制部59(参照图2)具备前馈控制部73，但也可以省略前馈控制部73。此时，由反馈控制部72运算的反馈控制转矩Tfb为基本目标转矩。
另外，在上述的实施方式中，表示将本发明应用于柱型EPS的情况下的例子，但本发明也能够应用于柱型以外的EPS。另外，本发明也能够应用于线控转向***。
详细地说明了本发明的实施方式，但这些只不过是为了明确本发明的技术内容而使用的具体例，本发明不应限定解释为这些具体例，本发明的范围仅由权利要求书限定。
附图标记说明：1…电动动力转向装置；3…转向轮；4…转向机构；18…电动马达；53…驾驶员目标转向操纵角推断部；54…驾驶员转矩控制增益推断部；55…反作用力控制增益运算部；56…反作用力设定部；57…手动转向操纵角指令值运算部；58…综合角度指令值运算部；59…角度控制部；60…转矩控制部；61…驾驶员目标横向偏差设定部；111…横摆率运算部；112…驾驶员目标横向偏差运算部；201…上位ECU201；202…马达控制用ECU；211…修正路径候补生成部；212…修正路径选择部；213…目标行驶路径生成部；214…自动转向操纵角指令值生成部。

Claims (7)

1.一种转向操纵装置，其中，包括：
转向角控制用的电动马达；
手动转向操纵角指令值运算部，基于包括转向操纵转矩以及反作用力控制增益的运动方程式，来运算手动转向操纵角指令值；
综合角度指令值运算部，对驾驶辅助用的自动转向操纵角指令值加上所述手动转向操纵角指令值，来运算综合角度指令值；
控制部，基于所述综合角度指令值，对所述电动马达进行角度控制；以及
反作用力控制增益设定部，使用所述转向操纵转矩、车辆信息以及道路信息，来设定所述反作用力控制增益。
2.根据权利要求1所述的转向操纵装置，其中，
所述反作用力控制增益设定部包括：
驾驶员目标转向操纵角推断部，使用所述转向操纵转矩、所述车辆信息以及道路信息，来推断驾驶员目标转向操纵角；以及
反作用力控制增益运算部，使用所述驾驶员目标转向操纵角，来运算所述反作用力控制增益。
3.根据权利要求1所述的转向操纵装置，其中，
所述反作用力控制增益设定部包括：
驾驶员目标转向操纵角推断部，使用所述转向操纵转矩、所述车辆信息以及道路信息，来推断驾驶员目标转向操纵角；
驾驶员转矩控制增益推断部，使用所述驾驶员目标转向操纵角、所述转向操纵转矩以及所述电动马达的旋转角，来推断驾驶员转矩控制增益；以及
反作用力控制增益运算部，使用所述驾驶员转矩控制增益，来运算所述反作用力控制增益。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的转向操纵装置，其中，
所述车辆信息是车速，所述道路信息是道路的曲率。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的转向操纵装置，其中，
所述转向操纵装置还包括路径变更部，所述路径变更部使用所述转向操纵转矩或者所述手动转向操纵角指令值和所述车辆信息，变更用于所述自动转向操纵角指令值的运算的目标行驶路径。
6.根据权利要求5所述的转向操纵装置，其中，
所述路径变更部包括：
驾驶员目标横向偏差运算部，使用所述转向操纵转矩或者所述手动转向操纵角指令值和所述车辆信息，来运算规定时间后的驾驶员目标横向偏差；
修正行驶路径生成部，使用所述驾驶员目标横向偏差与基于视觉信息的目标行驶路径之间的规定时间后的横向偏差，来生成修正行驶路径；以及
目标行驶路径生成部，通过基于所述修正行驶路径修正所述基于视觉信息的目标行驶路径，来生成最终的目标行驶路径。
7.根据权利要求5或6所述的转向操纵装置，其中，
所述车辆信息是车速以及与所述基于视觉信息的目标行驶路径之间的当前的横向偏差。
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