JP2004058829A

JP2004058829A - トレーラを牽引する車両の操向装置

Info

Publication number: JP2004058829A
Application number: JP2002219862A
Authority: JP
Inventors: Tokihiko Akita; 秋田　時彦
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】トレーラのついていない乗用車を後退させる場合と同じ感覚で、トレーラをつなげた乗用車を後退できるようにすること。
【解決手段】トレーラを牽引する車両において、前記車両に後輪操舵装置を設け、車両の操舵角からトレーラの目標軌跡を演算し、この目標軌跡にトレーラが沿うよう後輪を操舵する後輪操舵制御装置を設けた。
【選択図】　　　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トレーラを牽引する車両の操向装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、トレーラを牽引する車両においては、その後退運動時に操舵輪を持つ車両とトレーラの間のヒッチ角という自由度が存在するため、舵角が一定でもヒッチ角が増加する不安定要素を持っている。したがって、このようなトレーラを索引する車両を後進させる場合、操縦が非常に難しい。この問題については、刊行物「自動車工学ハンドブック（基礎・理論編）」（発行所：社団法人　自動車技術会、１９９０年１２月１日初版発行）６．１０．４　連結車両の後退性に詳しく記載されている。
【０００３】
一方で、小回り性を向上するための後輪操舵装置はよく知られており、一般に前輪の操舵角に比例して後輪を操舵する制御則が用いられる。例えば、刊行物「自動車の操舵系と操安性」（発行所：株式会社　山海堂、著者：カヤバ工業株式会社、第１刷発行日：平成８年９月１０日）の１９６頁の「７．５．３横すべり零化４ＷＳ制御」の欄（以下、「刊行物１」という。）によれば、車体スリップ角（車両の進行方向と車両の前後方向との偏差角）に着目し、常時この車体スリップ角を零にするように、所定車速以下では前輪舵角に比例して後輪舵角を逆相に制御して小回り性を確保しつつ、所定車速以上では前輪舵角に比例して後輪舵角を同相に制御することにより操安性に優れた理想の車両特性が得られることが記載されている。
【０００４】
また、本出願人は、特願２００１−２４２８４２号にて、２点を両端とする線分が車両の前後方向と平行となる２点のうち、車両前方側の点を前端点ｇ、車両後方側の点を後端点ｆに設定し、前端点ｇの走行軌跡を滑らかに平均化した平均化軌跡を演算し、後端点ｆが平均化軌跡の内側領域からはみ出さないように目標後輪舵角を制限するように目標後輪舵角を演算する発明を行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
乗用車でトレーラを牽引するケースでは、運転者は乗用車のみを運転する場合、トレーラを牽引して乗用車を運転する場合の２通りの運転を行わないといけない。特に、後退する場合には、通常の乗用車を運転する感覚では、トレーラ付の乗用車の運転は困難である。
【０００６】
そこで、本発明においては、トレーラのついていない乗用車を後退させる場合と同じ感覚で、トレーラをつなげた乗用車を後退できるようにすることを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明においては、請求項１に記載のように、トレーラを牽引する車両において、前記車両に後輪操舵装置を設け、車両の操舵角からトレーラの目標軌跡を演算し、この目標軌跡にトレーラが沿うよう後輪を操舵する後輪操舵制御装置を設けた。これによれば、後輪舵角の制御範囲内において、トレーラの軌跡が目標軌跡に沿うようになる。
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明においては、請求項２に記載のように、請求項１において、前記後輪操舵制御装置を、車両の操舵角からトレーラの目標軌跡を演算し、トレーラの目標軌跡を達成するための目標ヒッチ角を演算し、目標ヒッチ角と実ヒッチ角との偏差を減少させるよう後輪を操舵するようにした。これによれば、後輪舵角の制御範囲内において、トレーラのヒッチ角を後輪の舵角で制御でき、トレーラの軌跡が目標軌跡に沿うようになる。
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明においては、請求項３に記載のように、請求項２において、前記後輪操舵制御装置を、目標ヒッチ角と実ヒッチ角との偏差がゼロとしたとき、前輪舵角δｆと実ヒッチ角から求まる実ヒッチ角を維持するための後輪舵角値を演算し、目標ヒッチ角と実ヒッチ角との偏差から求まるフィードバック項を加えた目標後輪舵角を演算し、後輪を操舵するようにした。これによれば、操舵角及びヒッチ角にオフセットがあってもその分を考慮して制御ができる。
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明においては、請求項４に記載のように、請求項２において、前記後輪操舵制御装置を、ヒッチ角が制御範囲外になったことを検知し、ヒッチ角が制御範囲外になったとき運転者に警告するようにした。
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明においては、請求項５に記載のように、請求項２において、前記後輪操舵制御装置を、ヒッチ角が制御範囲外になったことを検知し、ヒッチ角が制御範囲外になったとき後輪を最大舵角に設定するようにした。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係るトレーラを備え、後輪操舵装置を含んだ車両の概念図である。車両１の後方にはトレーラ２２が置かれる。車両１の後端にはヒッチボール２５を備えたヒッチメンバー２０が固定され、ヒッチボール２５と連結されるドローバー２４がトレーラ２２に固定されており、車両１の運動に応じて、トレーラ２２が牽引できるよう構成されている。ヒッチメンバー２０とドローバー２４の間には、互いの相対角度であるヒッチ角を測定するヒッチ角センサ２３が設置されている。このヒッチ角センサ２３は一般的な角度センサを用いて構成することができる。車両１において、２個の前輪３には、それぞれ前輪の車輪の回転速度を検出する車輪速センサ９が配設されている。この車輪速センサ９は、前輪３が所定角度回転するごとにパルスを発するものであり、このパルス数をカウントすることにより走行距離を求めることができるので、走行距離センサとしての機能を有している。車両後方には、２個の後輪５を操舵するためのアクチュエータ１５が配設されている。アクチュエータ１５には、後輪５の実舵角量を検出する後輪舵角センサ１３が配設されている。前輪３を操舵するステアリング７には、前輪３の実舵角量を検出する前輪舵角センサ１１が配設されている。車両には、車両の変速機のシフト位置を検出するシフト位置センサ１７、トレーラの有無を指定するためのトレーラ牽引スイッチ１８、アクチュエータ１５を制御するためのコントローラ２１、車両のエンジンを起動するためのイグニッションスイッチ１９が取り付けられている。トレーラ牽引スイッチ１８は、押ボタン式とし、運転者がトレーラ２２を取り付けたとき、運転者自身が押すことによってトレーラ２２を設置したことを支持するスイッチとしてもよいし、自動的にトレーラ２２の取り付けを検出するスイッチまたはセンサとしてもよい。上記の前輪舵角センサ１１、後輪舵角センサ１３、車輪速センサ９、シフト位置センサ２３、トレーラ牽引スイッチ１８、イグニッションスイッチ１９及びヒッチ角センサ２３の出力は、コントローラ２１に入力される。コントローラ２１は、これら各種スイッチ、センサの検出値に応じて目標後輪舵角を演算し、後輪の実舵角量が目標後輪舵角になるようにアクチュエータ１５に指令を与える。
【００１４】
次に、車両のモデル図である図２を用いて、制御の概要を説明する。ここで、各角度については、紙面左回り方向を正とする角度として表現している。
【００１５】
軌跡３０は、後輪の舵角がある角度にあるときの左右の後輪の中心点の軌跡を表している。この軌跡３０にトレーラ２２が沿うように移動すると、運転者はトレーラ２がない場合と同じように、後退できるようになる。尚、トレーラ２２がない状態において、通常の後輪操舵装置が後輪を操舵している場合は、この操舵角における軌跡を目標軌跡とする。
【００１６】
前輪の舵角をδｆ、後輪の舵角をδｒ、ホイールベース間の距離をＬ、前輪車軸からヒッチまでの長さをＬｈ、ヒッチからトレーラ車軸までの長さをＬｔｒ、後退時の車速をｖｘ（後退方向を正とする）、乗用車の車体の絶対角をθｂ、ヒッチ角をθｈ、目標ヒッチ角をθｈｒｅｆ、トレーラ車体絶対角をθｔｂとする。ヒッチ角θｈが、トレーラ２２が軌跡３０に沿うところの目標ヒッチ角θｈｒｅｆとなるように目標後輪舵角δｒｔを演算し、後輪を操舵することで、目的を達成する。
【００１７】
次に、コントローラ２１の制御の詳細を、図３〜図５を用いて説明する。
【００１８】
図３はコントローラ２１が実行するメインルーチンである。イグニッションスイッチ１９がＯＮされるとメインルーチンがスタートし、ステップ１０１に進む。
【００１９】
ステップ１０１では、各諸変数の初期化処理が実行される。
【００２０】
初期化処理が実行されると、ステップ１０２へ進む。ステップ１０２以降ステップ１０７までの処理は、その後繰り返しループ処理される。
【００２１】
ステップ１０２では、制御周期Ｔｓが経過したか否かが判断され、制御周期Ｔｓが経過していなければ経過するまで次の処理を保留する。この制御周期Ｔｓは上記メインルーチンが一周するのに必要な時間より大きな値を入れておく。制御周期Ｔｓが経過した段階で次のステップ１０３へ進む。ステップ１０３では、車輪速センサ９、前輪舵角センサ１１等の各種センサからの信号を取り込み、現在の車両の各状況を把握する。
【００２２】
ステップ１０４では、ステップ１０３にて入力された各種センサからの情報をもとに、トレーラを牽引しているか、また、車両の後退であるかを判断する。具体的には、トレーラ牽引スイッチ１８がトレーラの牽引を示しており、かつ、シフトポジションスイッチ１７がリバースの位置にあるとき、ステップ１０６へ進み、それ以外はステップ１０５へ進む。
【００２３】
ステップ１０５では、通常後輪舵角演算が行われる。通常後輪舵角演算とは、最適な目標後輪舵角を算出するにあたり基本となる制御則に基づいて、コントローラ２１が通常目標後輪舵角δｒｔ０を算出する演算である。本実施形態においては基本となる制御則として、舵角比例制御を採用している。舵角比例制御とは、実前輪舵角δｆに比例した値を目標後輪舵角に設定する方式である。さらに、ここでは、車速ｖに応じて目標後輪舵角を変更している。具体的には、図４のステップ１１０に示すように、車輪速センサ９の出力から求められる車速ｖに応じた後輪／前輪舵角比ｒａｔｉｏ＿ｍａｐ（ｖ）を後輪／前輪舵角比マップから求め、これに実前輪舵角δｆをかけて通常目標後輪舵角δｒｔ０を求める。後輪／前輪舵角比ｒａｔｉｏ＿ｍａｐ（ｖ）は、所定車速以下ではマイナス、所定車速以上でプラスの値に設定されている。よって、所定車速以下では、通常目標後輪舵角δｒｔ０は実前輪舵角δｆと逆相に演算され、所定車速以上では、通常目標後輪舵角δｒｔ０は実前輪舵角δｆと同相に演算されるようになっている。通常、後退時には車速が遅いので、後輪は前輪に対して逆相に操舵される。
【００２４】
ステップ１０６では、牽引後退アシスト制御演算ルーチンが実行される。これについては後述するが、ここで目標後輪舵角δｒｔが演算される。
【００２５】
最後にステップ１０７では、後輪の舵角が、目標後輪舵角δｒｔ（もしくは目標後輪舵角δｒｔがない場合には通常目標後輪舵角δｒｔ０）に等しくなるようにアクチュエータ１５を制御する。この制御は、後輪舵角センサ１３により実際の後輪５の操舵角を検出し、これが目標後輪舵角δｒｔに等しくなるようにＰＩＤ制御等を用いてサーボ制御するとよい。
【００２６】
図５は牽引後退アシスト制御演算のサブルーチンを示す。ここでは、まず、ステップ１２０にて目標ヒッチ角の演算を行う。目標ヒッチ角θｈｒｅｆは、前輪舵角δｆ、ホイールベース長Ｌ、前輪車軸からヒッチまでの長さＬｈ、ヒッチからトレーラ車軸までの長さＬｔｒとし、通常制御時の目標後輪舵角をδｒｖ＝−Ｋｓｒｖ・δｆと想定（仮想後輪舵角と称す）し、次式により求める。
【００２７】
【数１】

ここで、Ｋｓｒｖは、予め定められた後退時の後輪／前輪舵角比である。トレーラを牽引していない場合の後退時には、図４のステップ１１０に示すように、車速ｖｓに応じた後輪／前輪舵角比ｒａｔｉｏ＿ｍａｐ（ｖ）を後輪／前輪舵角比マップから求め、これに実前輪舵角δｆをかけて目標後輪舵角δｒｔ０を求めるが、トレーラ牽引時の後退時には、低車速であることが多いので、車速ｖｓを考慮に入れていない。車速をｖｓ考慮したい場合には、δｒｖ＝ｒａｔｉｏ＿ｍａｐ（−ｖｓ）・δｆと変更するとよい。
【００２８】
数１式は、トレーラがない場合の前輪舵角δｆと後輪舵角（＝仮想後輪舵角δｒｖ）での車両の回転半径Ｒ２と、旋回中心からヒッチ点までの距離Ｒ１を求め、車両の回転半径Ｒ２と目標トレーラ軌跡半径Ｒｔｒｅｆが一致するように目標ヒッチ角θｈｒｅｆを求めるものである。
【００２９】
次に、ステップ１２１にてヒッチ角偏差フィードバック演算を行う。ここでは、ヒッチ角偏差比例ゲインＫｐを用いて、目標後輪舵角のフィードバック項δｒｔｆｂを次式により求める。
【００３０】
【数２】
δｒｔｆｂ＝−Ｋｐ・（θｈｒｅｆ−θｈ）
ヒッチ角偏差比例ゲインＫｐは適宜調整して決める。
【００３１】
次に、ステップ１２２にてステア角・ヒッチ角補正演算を行う。ここでは、目標後輪舵角δｒｔを次式により補正する。
【００３２】
【数３】

ここで、右辺の第２項は、ヒッチ角が目標ヒッチ角に一致しているときに、前輪舵角δｆと実ヒッチ角δｈから求まる実ヒッチ角δｈを維持するための後輪舵角値である。これに、数２式で求めたフィードバック項δｒｔｆｂを加算して外乱を意識した目標後輪舵角を得ている。
【００３３】
次に、ステップ１２４にて、目標後輪舵角の絶対値が最大後輪舵角より大きいかどうかを判断する。通常、後輪操舵装置では、制御しうる最大の舵角があり、これを超えて後輪の舵角を増やすことができない。したがって、目標後輪舵角も、最大後輪舵角を越えないように設定する必要がある。目標後輪舵角の絶対値が最大後輪舵角より小さい場合には何もせず戻る。目標後輪舵角の絶対値が最大後輪舵角より大きい場合には、目標後輪舵角に最大後輪舵角をセットする。
【００３４】
更に、ステップ１２５にて、トレーラ２２の方向を制御できない旨を示すためのインジケータを点灯するとともに、警報ブザーを鳴らすよう出力して、運転者に警告を与える。
【００３５】
上記の概念を図６を参照して説明する。後輪舵角の制御可能な範囲は最大ステア角及び最小ステア角によって定まる。また、ヒッチ角とステア角の関係で制御できなくなる領域があり、この制御限界線と前記の最大ステア角、最小ステア角で挟まれる領域内でのみ制御が可能である。例えば実ヒッチ角がー２０ｄｅｇの場合、ステア角は約―５０〜４２０ｄｅｇの範囲で制御可能になる。また、実ヒッチ角がー５０ｄｅｇの場合、ステア角は約２８０〜５５０（最大ステア角）ｄｅｇの範囲で制御可能になる。上記ステップ１２５でインジケータ点灯及び警報ブザー出力を行ったが、図６の線図の制御限界の領域内から外れたときインジケータ点灯及び警報ブザー出力を行うようにしてもよい。通常、実ヒッチ角が大きくずれている場合には、車両を一度前進させるとヒッチ角が小さくなるので、再度後退させるときには制御できるようになる。
【００３６】
以上が終了すると、牽引後退アシスト制御演算ルーチンを終了し、メインルーチンに戻る。
【００３７】
上記構成によれば、トレーラの目標軌跡となるような目標ヒッチ角θｈｒｅｆを求め、ヒッチ角が目標ヒッチ角に一致しているときに、前輪舵角δｆと実ヒッチ角δｈから求まる実ヒッチ角δｈを維持するための後輪舵角値を求め、これに、目標ヒッチ角と実ヒッチ角との偏差をなくすようフィードバックをかけ後輪舵角を制御するので、乗用車の後退時にトレーラが目標軌跡に沿うようになる。
【００３８】
また、後輪操舵装置の制御可能範囲を外れても、目標後輪舵角に最大後輪舵角をセットして、できるだけトレーラが目標軌跡に沿うように操舵するとともに、運転者に警告を与えている。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、後輪舵角の制御範囲内において、トレーラの軌跡が目標軌跡に沿うようになり、トレーラがない場合と同様に、車両を後退させることができる。
【００４０】
請求項２または３の発明によれば、より精度よく車両を後退させることができる。
【００４１】
請求項４の発明によれば、後輪操舵装置の制御可能範囲を外れても、運転者に警告を与えているので、運転者は後退のやり直しを速やかに行える。
【００４２】
請求項５の発明によれば、後輪操舵装置の制御可能範囲を外れても、トレーラの方向が大きく外れることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る後輪操舵装置を含んだ四輪操舵車両の概念図である。
【図２】本発明の実施形態における車両の運動を示すモデル図である。
【図３】コントローラが実行するメインルーチンのフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態における通常後輪舵角演算処理を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態における牽引後退アシスト制御演算処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態におけるトレーラ後退アシスト制御線図である。
【符号の説明】
１　車両
３　前輪
５　後輪
７　ステアリング
９　車輪速センサ
１１　前輪舵角センサ
１３　後輪舵角センサ
１７　シフトポジションスイッチ
１８　トレーラ牽引スイッチ
１９　イグニッションスイッチ
２０　ヒッチメンバー
２１　コントローラ
２２　トレーラ
２３　ヒッチ角センサ
２４　ドローバー
２５　ヒッチボール
３０　軌跡
δｆ　前輪の舵角
δｒ　後輪の舵角
Ｌ　ホイールベース間の距離
Ｌｈ　前輪車軸からヒッチまでの長さ
Ｌｔｒ　ヒッチからトレーラ車軸までの長さ
ｖｘ　後退時の車速
θｂ　乗用車の車体の絶対角
θｈ　ヒッチ角
θｈｒｅｆ　目標ヒッチ角
θｔｂ　トレーラ車体絶対角
θｈｒｅｆ　目標ヒッチ角

Claims

トレーラを牽引する車両において、前記車両に後輪操舵装置を設け、車両の操舵角からトレーラの目標軌跡を演算し、この目標軌跡にトレーラが沿うよう後輪を操舵する後輪操舵制御装置を設けたことを特徴とする、トレーラを牽引する車両の操向装置。
請求項１において、前記後輪操舵制御装置は、車両の操舵角からトレーラの目標軌跡を演算し、トレーラの目標軌跡を達成するための目標ヒッチ角を演算し、目標ヒッチ角と実ヒッチ角との偏差を減少させるよう後輪を操舵することを特徴とする、トレーラを牽引する車両の操向装置。
請求項２において、前記後輪操舵制御装置は、目標ヒッチ角と実ヒッチ角との偏差がゼロとしたとき、前輪舵角δｆと実ヒッチ角から求まる実ヒッチ角を維持するための後輪舵角値を演算し、目標ヒッチ角と実ヒッチ角との偏差から求まるフィードバック項を加えた目標後輪舵角を演算し、後輪を操舵することを特徴とする、トレーラを牽引する車両の操向装置。
請求項２において、前記後輪操舵制御装置は、ヒッチ角が制御範囲外になったことを検知し、ヒッチ角が制御範囲外になったとき運転者に警告することを特徴とする、トレーラを牽引する車両の操向装置。
請求項２において、前記後輪操舵制御装置は、ヒッチ角が制御範囲外になったことを検知し、ヒッチ角が制御範囲外になったとき後輪を最大舵角に設定することを特徴とする、トレーラを牽引する車両の操向装置。