JP2006103469A

JP2006103469A - 操舵制御装置

Info

Publication number: JP2006103469A
Application number: JP2004291855A
Authority: JP
Inventors: Mikiyuki Oki; 幹志大木; 寛和 ▲高▼島; Hirokazu Takashima
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-10-04
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-10-04
Also published as: JP4238809B2

Abstract

【課題】運転者の感じるリヤグリップ感を向上させて良好な操舵特性が得られる操舵制御装置を提供する。
【解決手段】操舵角δ（図３（ａ）参照）をもとに、操舵角速度ωを検出し（図３（ｂ）参照）、所定のしきい値ωthを超えた時点（ｔ_１）の操舵角速度の時間変化量（操舵角加速度ζ）から旋回開始時点（ｔ_１からｔ_ｂ遡った時点）を推定し、その時点からΔｔ_ｔｈ１〜Δｔ_ｔｈ２経過した時点における後輪転舵角θ_Ｒの修正角Δθ_Ｒとして前輪と同位相方向の転舵量を設定し、設定した修正角Δθ_Ｒを付加した後輪転舵角θ_Ｒとなるよう後輪の転舵量を制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両において運転者の操舵に応じた操舵を行う制御装置に関する。

旋回時における操縦性、安定性を向上させるため、前輪だけでなく、後輪も転舵させる４輪操舵装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の４輪操舵装置では、低速時は後輪を前輪と逆位相に、高速時には後輪を前輪と同位相に転舵することで操縦安定性を向上させる。特許文献１の技術では、さらに前輪転舵角に対する後輪転舵角の比率を、所定の走行状態で車両のすべり角がゼロとなる特性より逆位相となる特性で、かつ、ハンドル操舵により生ずる車両の横加速度およびヨーレートの応答遅れが実質的に同等となるように設定されていることを特徴としている。
特公平５−３３１９３号公報

特許文献１には、ヨーレートと横加速度の応答特性を一致させた場合に、操舵フィーリングの良好な操舵特性が得られる旨の記載がある。ところで、リヤグリップ感の向上のためには、特に、後輪のコーナリングパワーを大きくすると好ましい、とされている。しかし、後輪のコーナリングパワーが大きすぎると、操舵に対して車両の向きが変わるのが遅れることになり、運転者が感じるリヤグリップ感がかえって低下してしまうことがある。

そこで本発明は、運転者の感じるリヤグリップ感を向上させて良好な操舵特性が得られる操舵制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明にかかる操舵制御装置は、運転者の操舵に応じて前輪と後輪の両方を転舵させる４輪操舵装置を備える車両の操舵制御装置において、操舵角速度を検出する手段と、検出した操舵角速度と操舵角速度変化量から旋回開始時点を判定する手段と、旋回開始早期の所定期間において、後輪の旋回内側への転舵角を通常より増大させる制御を行う手段と、をさらに備えていることを特徴とする。

例えば、操舵角速度が所定値以上となった時点から、その時点の操舵角速度変化量に応じて設定された時間だけ遡った時点を旋回開始時点と判定する。旋回開始早期の所定期間（判定した旋回開始時点から所定時間経過した一定の期間）内において、後輪の旋回内側への転舵角を通常より増大させて、旋回開始早期の車両の向きの変更を促進する。

この旋回開始早期の所定期間における後輪の旋回内側への転舵量は、操舵角速度の変化量に応じて変更するとよい。旋回開始早期の所定期間に先立って、後輪を一時期、旋回外側へ転舵させる制御を行うことが好ましい。この旋回開始早期の所定期間は、判定した旋回開始時から０．２秒〜０．４秒経過時点であるとよい。

あるいは、本発明にかかる操舵制御装置は、操舵角速度を検出する手段と、前輪および後輪のそれぞれで発生する横力を検出する手段と、検出した操舵角速度と前輪発生横力から前輪発生横力変化率のピーク時点を予測する手段と、後輪発生横力変化率のピーク時点が前輪発生横力変化率のピーク時点から所定時間以内となるように後輪発生横力を変化させる手段と、をさらに備えていることを特徴とする。この所定時間は、０．２秒以内であるとよい。

この場合は、前輪発生横力に対して後輪による横力の発生タイミングを制御する。具体的には、４輪操舵装置、制動力配分、駆動力配分、空気圧配分等を変化させることで所望のヨーモーメントを発生させて後輪による横力の発生タイミングを制御する。

発明者は、リアのグリップ感を向上させるには、操舵開始直後の横加速度の変化量を大きくすることが重要であることを見出した。また、前輪発生横力と後輪発生横力の変化タイミングの差を小さくすることがリアグリップ感向上に有効であることも見出した。

本発明は、これらの知見に基づくものであり、旋回開始早期の時点、好ましくは旋回開始時点から０．２〜０．４秒の時点において、後輪の旋回内側への転舵角を通常より大きくすることで、旋回開始早期の時点における横加速度の変化量を増大させて、リアのグリップ感を向上させる。

また、前輪発生横力に対する後輪発生横力の変化率のピークを、好ましくは、遅れが０．２秒以内となるよう制御することにより、リアグリップ感を向上させる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明にかかる操舵制御装置を備える車両の操舵系の概略構成図である。この車両は前輪、後輪の両方を転舵可能な４輪操舵（４ＷＳ＝four wheel steering）式の車両である。

各車輪１０_ＦＬ〜１０_ＲＲのそれぞれには、転舵用のアクチュエータ１１_ＦＬ〜１１_ＲＲが配置されている。これらのアクチュエータ１１_ＦＬ〜１１_ＲＲとしては、液圧式のものや電動式のものを用いることができる。各アクチュエータ１１_ＦＬ〜１１_ＲＲの駆動量（各車輪１０_ＦＬ〜１０_ＲＲの転舵量に対応する）は、コントローラ２５によって独立に制御される。コントローラ２５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等によって構成されており、操舵制御を行う（本発明にかかる操舵制御装置の制御部に対応する）。

車室内には、運転者が操舵を行うステアリングホイール２０が配置され、ステアリングホイール２０には、その回転軸となるステアリングシャフト２１が接続されている。ステアリングシャフト２１には、操舵角を検出するための操舵角センサ２２と、前輪位置、後輪位置における横加速度を検出する横Ｇセンサ２３、２４および車速センサ２６の出力が入力されている。ここで、車速センサ２６として各車輪１０_ＦＬ〜１０_ＲＲの車輪速を検出する車輪速センサを用いることもできる。

コントローラ２５は、操舵角、横加速度、車速から各車輪１０_ＦＬ〜１０_ＲＲの転舵量を決定し、所望の転舵量が得られるようアクチュエータ１１_ＦＬ〜１１_ＲＲの駆動量を制御する。例えば、高速時には、後輪１０_ＲＬ、１０_ＲＲを前輪１０_ＦＬ、１０_ＦＲと同位相に転舵させ、低速時には、後輪１０_ＲＬ、１０_ＲＲを前輪１０_ＦＬ、１０_ＦＲと逆位相に転舵させる。なお、後輪１０_ＲＬ、１０_ＲＲの転舵量は、前輪１０_ＦＬ、１０_ＦＲの転舵量より小さく設定される。本発明においては旋回開始早期時点の転舵制御により、リヤグリップ感を向上させる制御を行う点に特徴がある。以下、この旋回開始早期の時点の転舵制御について具体的に説明する。これらの制御は、コントローラ２５によって車両の電源キーがオンにされている間、所定のタイミングで繰り返し実行される。

図２は、第１の制御形態の処理を示すフローチャートである。図３は、制御時における操舵角δ、操舵角速度ω、後輪転舵角θ_Ｒの修正角Δθ_Ｒの変化を示すタイミングチャートである。最初に、車両状態量（操舵角δ、車速Ｖ、前後輪位置横加速度Ｇ_ｙＦ、Ｇ_ｙＲ）を読み込む（ステップＳ１）。次に、操舵角δから操舵角速度ω（＝ｄδ／ｄｔ）、操舵角加速度（操舵角速度の時間変化量）ζ（＝ｄω／ｄｔ＝ｄ^２δ／ｄｔ^２）を求める（ステップＳ２）。

次に、各車両状態量等を基にして前輪舵角θ_Ｆと後輪舵角θ_Ｒの基準値を設定する（ステップＳ３）。以下は、旋回外側と内側とで同一舵角に設定する場合を例に説明するが、旋回内側と旋回外側とで同じ前輪１０_ＦＬ、１０_ＦＲあるいは後輪１０_ＲＬ、１０_ＲＲについても異なる舵角を設定してもよい。

次に、旋回中フラグFlagTurnの値を判定する（ステップＳ４）。FlagTurnがFalseで、旋回中と判定していない場合には、旋回判定のためステップＳ５へと移行する。

ステップＳ５では、操舵角速度ωの絶対値を、しきい値ωthと比較する。操舵角速度ωの絶対値がしきい値ωth以上の場合には、旋回中フラグFlagTurnの値をTrueに設定し（ステップＳ６）、さらに、この時点の操舵角加速度ζから旋回開始時間との時間差ｔ_ｂを推定する（ステップＳ７）。図４は、操舵角加速度ζに対する旋回開始時間との時間差ｔ_ｂの設定例を示すグラフである。操舵角加速度ζが大きいほど時間差ｔ_ｂを小さく、操舵角加速度ζが小さいほど時間差ｔ_ｂを大きく設定するとよい。操舵角速度ωの絶対値がしきい値ωthを超えた時点（図３中の時刻ｔ_１）から設定した時間差ｔ_ｂだけ遡った時点（ｔ_１−ｔ_ｂ）を旋回開始時間と判定する（ステップＳ８）。

操舵角加速度ζが大きいほど旋回操作（操舵）開始から時間が経過していないと推定され、逆に操舵角加速度ζが小さいほど操舵開始から時間が経過していると推定される。したがって、ある操舵角速度ωthに到達した時点の操舵角速度ζから旋回開始時点（操舵角δ＝０）の時点を推定できる。ここで、実際に操舵角δが０でなくなった時点を旋回開始時点として設定する手法もありうるが、ステアリングホイール２０の遊びや車両の特性、道路特性等によって必ずしも直進時に操舵角δが０となるとは限らない。このため、操舵角δが０でない時点は必ずしも運転者の操舵開始時点とは一致しない。これに対して本発明によれば、上述した手法により旋回開始時点を推定することで、運転者の操舵開始時点を精度よく判定することができる。

次に、旋回開始時点と現時刻との時間差Δｔとしきい値Δｔ_ｔｈ１、Δｔ_ｔｈ２（Δｔ_ｔｈ１＜Δｔ_ｔｈ２）とを比較する（ステップＳ９）。ここで、Δｔ_ｔｈ１は０．２秒程度、Δｔ_ｔｈ２は０．４秒程度に設定することが好ましい。時間差Δｔがしきい値Δｔ_ｔｈ１とΔｔ_ｔｈ２の間にある場合には、ステップＳ１０へと移行してリヤグリップ感を向上させる制御に入る。ここでは、まず、後輪転舵量θ_Ｒの修正量Δθ_Ｒを設定する。この修正量Δθ_Ｒのピーク値は、例えば、図５に示されるように、操舵角加速度ζが大きくなるほど大きくなるように設定すればよい。修正量Δθ_Ｒの絶対値は、旋回開始時点からΔｔ_ｔｈ１経過した時点から徐々に増加させ、（Δｔ_ｔｈ１＋Δｔ_ｔｈ２）／２経過した時点でピークに達し、そこから徐々に低下させてΔｔ_ｔｈ２経過した時点で０となるように設定するとよい（図３（ｃ）参照）。ここで、修正量Δθ_Ｒの転舵方向は、旋回内側、すなわち、前輪１０_ＦＬ、１０_ＦＲの転舵方向と同位相になるよう設定される。

修正量Δθ_Ｒを設定したら、これを先に求めておいた後輪転舵量θ_Ｒに加算して実際の後輪転舵量θ_Ｒを設定する（ステップＳ１１）。そして、設定した前輪転舵量θ_Ｆと後輪転舵量θ_Ｒに応じてアクチュエータ１１_ＦＬ〜１１_ＲＲの駆動量を制御して（ステップＳ１２）処理を終了する。

一方、ステップＳ５で操舵角速度ωの絶対値がしきい値ωth未満の場合と、ステップＳ９において、旋回開始時点と現時刻との時間差Δｔがしきい値Δｔ_ｔｈ１未満、または、Δｔ_ｔｈ２を超えている場合には、ステップＳ１２へ直接移行して修正を行わずに操舵制御を行う。

ステップＳ４で、旋回中フラグFlagTurnがTrueで、旋回中と判定している場合には、ステップＳ１５へ移行し、操舵角δが所定の角度範囲±δth内で、操舵角速度ωの絶対値が所定速度ωth2内であるかを判定する。条件を満たす場合には、旋回中フラグFlagTurnをFalseに変更して（ステップＳ１６）、ステップＳ１２へと移行し、条件を満たさない場合には、直接ステップＳ９へと移行する。

発明者らは、操舵開始初期、特に後輪横加速度Ｇ_ｙＲ（後輪横力）の発生タイミングを早め、その立ち上がり特性を向上させることで、リアグリップ感の向上に有効であることを見出した。本実施形態によれば、旋回開始早期の時点、好ましくは旋回開始から０．２秒〜０．４秒の時点において、後輪の前輪と同位相方向への転舵量を拡大している。これにより、後輪の転舵によって後輪横力を積極的に付加して、後輪による横力の発生タイミングを早め、リアグリップ感の向上を図る。

図６は、操舵角δ、操舵角速度ω、前輪横加速度Ｇ_ｙＦ、後輪横加速度Ｇ_ｙＲそれぞれの時間変化を示したグラフである。本制御形態によれば、特に図中点線で囲んだ部分における後輪横加速度Ｇ_ｙＲの立ち上がりを早めることにより、リアグリップ感を向上させる効果が得られる。

図７は、第２の制御形態の処理を示すフローチャートであり、図８は、制御時における操舵角δ、操舵角速度ω、後輪転舵角θ_Ｒの修正角Δθ_Ｒの変化を示すタイミングチャートである。

本実施形態の処理は、図１に示される第１の制御形態の処理を一部変形したものであり、ステップＳ１〜Ｓ９までの処理は共通している。ステップＳ９で、時間差Δｔがしきい値Δｔ_ｔｈ１とΔｔ_ｔｈ２の間にある場合、および、時間差Δｔがしきい値Δｔ_ｔｈ２を超えている場合の処理は図２に示される場合と共通する。

一方、ステップＳ９で、時間差Δｔがしきい値Δｔ_ｔｈ１未満である場合には、Δｔの値に応じて後輪転舵量θ_Ｒの修正量Δθ_Ｒを設定する（ステップＳ２０）。この修正量Δθ_Ｒの絶対値は、旋回開始判定時点（ｔ_１、旋回開始時点を基準とするとｔ_ｂ経過時点）から徐々に増加させ、（Δｔ_ｔｈ１＋ｔ_ｂ）／２経過した時点でピークに達し、そこから徐々に低下させてΔｔ_ｔｈ１経過した時点で０となるように設定するとよい（図８（ｃ）参照）。ここで、修正量Δθ_Ｒの転舵方向は、旋回外側、すなわち、前輪１０_ＦＬ、１０_ＦＲの転舵方向と逆位相になるよう設定される。設定後は、ステップＳ１１へと移行して設定した修正量を付加して操舵制御を行う。

本実施形態によれば、旋回開始早期において一旦、後輪を旋回外側に転舵することで、後輪により発生するヨーレートを増大させることができる。このヨーレート増大制御を前輪が横力を発生してから後輪が横力を発生するまでの過渡状態である転舵直後に行うことで、ヨーモーメントを増大させ、後輪が横力を発生し始める過渡状態においては横加速度の変化を大きくする相乗効果により、リアグリップ感を向上させている。

ヨーモーメントを増大させるには、前輪のコーナリングパワーを増大させる手法があるが、車両全体のバランスからその増大には限界がある上、横力の発生タイミングが遅くなり、リアグリップ感の向上効果が得られない可能性がある。本実施形態によれば、ヨーモーメントの増大と横力の発生タイミングの適切化を両立させることができる。

図９は、第３の制御形態の処理を示すフローチャートである。最初に、車両状態量（操舵角δ、車速Ｖ、前後輪位置横加速度Ｇ_ｙＦ、Ｇ_ｙＲ）を読み込む（ステップＳ１）。次に、前後輪位置横加速度Ｇ_ｙＦ、Ｇ_ｙＲの時間変化率ｄＧ_ｙＦ／ｄｔ、ｄＧ_ｙＲ／ｄｔ、操舵角速度ω（＝ｄδ／ｄｔ）をそれぞれ求める（ステップＳ２２）。そして、各車両状態量等を基にして前輪舵角θ_Ｆと後輪舵角θ_Ｒの基準値を設定する（ステップＳ３）。以下は、旋回外側と内側とで同一舵角に設定する場合を例に説明するが、旋回内側と旋回外側とで同じ前輪１０_ＦＬ、１０_ＦＲあるいは後輪１０_ＲＬ、１０_ＲＲについても異なる舵角を設定してもよい。

次に、前輪位置横加速度（前輪発生横力）Ｇ_ｙＦの絶対値を、しきい値Ｇ_ｙＦthと比較する（ステップＳ２４）。前輪位置横加速度Ｇ_ｙＦの絶対値がしきい値Ｇ_ｙＦth以上の場合には、前輪位置横加速度の時間変化率ｄＧ_ｙＦ／ｄｔと操舵角速度ωを基にして前輪発生横力の時間変化率ｄＧ_ｙＦ／ｄｔがピークとなる時間ｔ_Ｆを推定する（ステップＳ２５）。次に、後輪位置横加速度の時間変化率ｄＧ_ｙＲ／ｄｔと操舵角速度ωを基にして後輪発生横力の時間変化率ｄＧ_ｙＲ／ｄｔがピークになる時間ｔ_Ｒがｔ_Ｆから所定時間後（好ましくは、この時間差は、０．２秒以内に設定される。）となるよう、後輪舵角の修正量Δθ_Ｒを設定する（ステップＳ２６）。このとき、前回の目標横加速度とそれによって得られた実際の後輪位置横加速度との偏差を基にして修正量Δθ_Ｒを調整するとよい。

修正量Δθ_Ｒを設定した後の制御は、第１の制御形態におけるステップＳ１１、Ｓ１２の制御と同一である。また、ステップＳ２４で前輪位置横加速度Ｇ_ｙＦの絶対値がしきい値Ｇ_ｙＦthを下回った場合は、ステップＳ１２へと直接移行する。この場合には、ステップＳ３で設定した基準舵角をそのまま用いる。

このように制御を行うことで、前後輪による発生横力の時間変化率のピーク時点の差を所定の時間差に制御することが可能となる。図１０は、従来の制御と本制御形態による前後輪による発生横力の時間変化率の推移を比較して示したグラフである。図１０（ａ）に示される本実施形態の制御に比べて、図１０（ｂ）に示される従来の制御では前後輪による発生横力の時間変化率のピーク時点の差が大きい。このように、後輪による発生横力の時間変化率のピーク時点が前輪による発生横力の時間変化率のピーク時点から大きく遅れる（０．２秒を大きく超える）場合には、運転者が後輪が旋回に追従していないと感じ、リアグリップ感が弱いと感じやすい。一方、本実施形態の制御のように、この差を小さく保つと、運転者は後輪が旋回に的確に追従していると感じ、リアグリップ感が良好であると感じる。このリアグリップ感の差は実車テストにおいても確認された。

ここでは、後輪の転舵角を調整して、後輪横力の発生タイミングを調整する場合を例に説明したが、４輪独立に駆動力もしくは制動力を制御可能な場合には、後輪の制動力、駆動力を調整することでヨーモーメントを発生させ、後輪横力の発生タイミングを調整してもよい。また、走行中にタイヤ空気圧を調整可能な場合や、サスペンションの状態を変更可能な場合には、タイヤ特性を変更して後輪横力の発生タイミングを調整してもよい。

以上説明した実施形態においては、各車輪の転舵量を独立のアクチュエータで駆動する形態を説明してきたが、例えば、前輪１０_ＦＬ、１０_ＦＲについては、ステアリングホイール２０と機械的にリンクした転舵機構を設け、後輪１０_ＲＬ、１０_ＲＲのみをアクチュエータにより駆動してもよい。また、後輪１０_ＲＬ、１０_ＲＲについても左右の転舵を機械的にリンクさせて１個のアクチュエータにより転舵量を調整するようにしてもよい。

本発明にかかる操舵制御装置を備える車両の操舵系の概略構成図である。第１の制御形態の処理を示すフローチャートである。図２の制御時における操舵角δ、操舵角速度ω、後輪転舵角θ_Ｒの修正角Δθ_Ｒの変化を示すタイミングチャートである。操舵角加速度ζに対する旋回開始時間との時間差ｔ_ｂの設定例を示すグラフである。操舵角加速度ζに対する後輪転舵量θ_Ｒの修正量Δθ_Ｒの設定例を示すグラフである。操舵角δ、操舵角速度ω、前輪横加速度Ｇ_ｙＦ、後輪横加速度Ｇ_ｙＲそれぞれの時間変化を示したグラフである。第２の制御形態の処理を示すフローチャートである。図８の制御時における操舵角δ、操舵角速度ω、後輪転舵角θ_Ｒの修正角Δθ_Ｒの変化を示すタイミングチャートである。第３の制御形態の処理を示すフローチャートである。従来の制御と第３の制御形態による前後輪による発生横力の時間変化率の推移を比較して示したグラフである。

符号の説明

１０_ＦＬ〜１０_ＲＲ…車輪、１１_ＦＬ〜１１_ＲＲ…アクチュエータ、２０…ステアリングホイール、２１…ステアリングシャフト、２２…操舵角センサ、２３…センサ、２５…コントローラ、２６…車速センサ。

Claims

運転者の操舵に応じて前輪と後輪の両方を転舵させる４輪操舵装置を備える車両の操舵制御装置において、
操舵角速度を検出する手段と、
検出した操舵角速度と操舵角速度変化量から旋回開始時点を判定する手段と、
旋回開始早期の所定期間において、後輪の旋回内側への転舵角を通常より増大させる制御を行う手段と、
をさらに備えていることを特徴とする操舵制御装置。
旋回開始早期の所定期間における後輪の旋回内側への転舵量を、操舵角速度の変化量に応じて変更することを特徴とする請求項１記載の操舵制御装置。
旋回開始早期の所定期間に先立って、後輪を一時期、旋回外側へ転舵させる制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の操舵制御装置。
前記旋回開始早期の所定期間は、判定した旋回開始時から０．２秒〜０．４秒経過時点であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の操舵制御装置。
車両の操舵制御装置において、
操舵角速度を検出する手段と、
前輪および後輪のそれぞれで発生する横力を検出する手段と、
検出した操舵角速度と前輪発生横力から前輪発生横力変化率のピーク時点を予測する手段と、
後輪発生横力変化率のピーク時点が前輪発生横力変化率のピーク時点から所定時間以内となるように後輪発生横力を変化させる手段と、
をさらに備えていることを特徴とする操舵制御装置。
前記所定時間は、０．２秒以内であることを特徴とする請求項５記載の操舵制御装置。