JP2006282067A - 車両用操舵制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 操舵系の中立ずれによる車両挙動の悪化を回避した車両用操舵制御装置を提供すること。
【解決手段】 運転者のステアリングホイール操舵角を検出する操舵角検出手段と、検出された操舵角に基づいて、前後輪補助舵角を設定する第１車両挙動制御手段と、を備えた車両用操舵制御装置において、前記操舵角と、前輪転舵角との中立ズレを検出する中立ズレ検出手段と、中立ズレが検出されたときは、前輪転舵角に基づいて仮想操舵角を演算し、この仮想操舵角に基づいて後輪補助舵角を設定する第２車両挙動制御手段と、を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、前後輪の操舵角を制御し、所望の車両特性を得る車両用操舵制御装置に関する。

従来、車両用操舵制御装置として、操舵入力時において前後輪へ補助舵角を与える際、操舵角に基づくフィードフォワード制御と実ヨーレイトに基づくフィードバック制御により、補助舵角を演算するものがある（例えば、特許文献１参照）。また、ステアリングホイールの中立位置を検出することによって相対操舵角から絶対操舵角を算出し、中立位置の検出が終了していない場合は、車速と実ヨーレイトから後輪補助舵角を算出することで、安定した車両挙動を得るものがある（例えば、特許文献２参照）。
特開平５−１０５１０２号公報 特開平５−３１０１４１号公報

しかしながら特許文献１の技術にあっては、良好なステアリング応答を得るため操舵角に基づくフィードフォワード制御を主として用いるが、前輪操舵角に中立ずれが生じた場合、このずれが操舵角に基づくフィードフォワード制御に影響を与え、所望の補助舵角が得られないという問題があった。また、特許文献２の技術においても、ヨーレイトは転舵が行われてから発生するため、前輪転舵角にずれが生じると後輪転舵量を算出したとしても正確な前輪転舵量を演算することは困難であり、車両挙動が安定しないおそれがあった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、操舵系の中立ずれによる車両挙動の悪化を回避した車両用操舵制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、運転者のステアリングホイール操舵角を検出する操舵角検出手段と、検出された操舵角に基づいて、前後輪補助舵角を設定する第１車両挙動制御手段と、を備えた車両用操舵制御装置において、前記操舵角と、前輪転舵角との中立ズレを検出する中立ズレ検出手段と、中立ズレが検出されたときは、前輪転舵角に基づいて仮想操舵角を演算し、この仮想操舵角に基づいて後輪補助舵角を設定する第２車両挙動制御手段と、を備えたことを特徴とする。

よって、操舵角ではなく仮想操舵角を用いることで、操舵系の中立ずれによる車両挙動の悪化を回避することができる。

以下、本発明の車両用操舵制御装置を実現する最良の形態を、図面に示す実施例に基づいて説明する。

［車両用操舵制御装置のシステム構成］
図１は実施例１の車両用操舵制御装置のシステム構成図である。運転者が操舵するステアリングホイール１には、車体側に回転可能に支持されるとともにステアリングホイール１に接続されたステアリングシャフト２が接続されている。

ステアリングシャフト２には、運転者の操舵角θdを検出する操舵角センサ８が設けられ、操舵角θdをコントロールユニット100へ出力する。また、操舵角センサ８よりも前輪２０側には、舵角比（運転者の操舵角θdに対する実前輪転舵角の比）を変更する可変舵角アクチュエータ３が設けられている。この可変舵角アクチュエータ３には、前輪モータ３ａが設けられ、前輪モータ回転角θmfを操舵角θdに対し加減算することで舵角比を変更する。

前輪モータ３ａにはエンコーダ１０が設けられ、前輪モータ３ａの回転角θmfがコントロールユニット100へ出力される。可変舵角アクチュエータ３の前輪２０側には、ピニオン４が設けられ、所謂ラック&ピニオン機構によってラック軸５を軸方向左右に移動させ、前輪２０を操舵する。

後輪３０には、後輪舵角を付与する後輪操舵アクチュエータ６が設けられている。後輪操舵アクチュエータ６には、後輪３０に対し舵角を付与する後輪モータ６ａが設けられている。この後輪モータ６ａには、後輪舵角に相当する後輪モータ回転角θmrを検出するエンコーダ１１が設けられ、後輪モータ６ａの回転角θmrがコントロールユニット100へ出力される。また、車速センサ７が設けられ、検出された車速VSPがコントロールユニット100へ出力される。

［コントロールユニットの制御構成］
図２はコントロールユニット100の構成を表すブロック図である。コントロールユニット100は、メインコントローラ100aと、前輪操舵コントローラ100bと、後輪操舵コントローラ100cから構成されている。

メインコントローラ100a内には、操舵角センサ８及び車速センサ７の検出値θd及びVSPに基づいて目標前輪舵角θ*p_refと目標後輪舵角δ*refを生成する目標値生成部110と、エンコーダ１０からフィードバックされた前輪モータ回転角θmfに基づいて各目標値を補正し、補正後目標前輪舵角θ*p及び補正後目標後輪舵角δ*を出力する目標値補正部120から構成されている。

前輪操舵コントローラ100ｂは、目標値補正部120から出力された補正後目標前輪舵角θ*pに基づいて前輪操舵アクチュエータとしての前輪モータ３ａに舵角指令値を出力し、前輪モータ３ａとの間でサーボ制御を実行する。

後輪操舵コントローラ100ｃは、目標値補正部120から出力された補正後目標後輪舵角δ*に基づいて後輪操舵アクチュエータとしての後輪モータ６ａに舵角指令値を出力し、後輪モータ６ａとの間でサーボ制御を実行する。

〔目標値生成部の制御内容〕
次に、目標値生成部110の制御内容について説明する。
（前輪制御）
まず、ドライバの操舵角θdと、図３に示す車速VSPに依存した前輪比例ゲインKPf（VSP）から、比例成分の目標値を求める。ここで、車速VSPが低い場合は、ドライバの操舵角θdが小さい角度で大きな転舵角が得られるよう、舵角比は大きく（クイックに）設定される。一方、車速VSPが高い場合は、安定性を考慮して舵角比は小さく（スローに）設定される。

次に、操舵角θdを微分して求めた操舵角速度dθd/dtと、図４に示す車速VSPに依存した前輪微分ゲインKDfから、微分成分の目標値を求める。この微分操舵は一般に車両のヨーレイト応答性を向上させることができる。

これら、比例成分と微分成分を加算し、前輪目標舵角θ*p_refは下記式
θ*p_ref＝KPf×θd＋KDf×dθd/dt
により表される。この場合、前輪モータ回転角指令値θmf*は下記式
θ*mf＝θ*p_ref−θd
により表される。

（後輪制御）
前輪制御と同じように、図５に示す車速VSPに依存した後輪比例ゲインKPr（VSP）と、図６に示す車速VSPに依存した後輪微分ゲインKDrを用いて、後輪舵角目標値δ*refは下記式
δ*ref＝KPr×θd＋KDr×dθd/dt
により表される。

（サーボ制御）
前輪の実舵角θと、補正後目標前輪舵角θ*との偏差ｅは、
ｅ＝θ−θ*
で求められる。
前輪制御指令値Ｉ_θは、偏差ｅと、比例ゲインＰと、微分ゲインＤと、積分ゲインＩとから下記式
Ｉ_θ＝Ｐ×ｅ＋Ｄ×dｅ/dt＋I×∫ｅdt
で求められる。尚、比例ゲインＰ，微分ゲインＤ，積分ゲインＩはチューニング定数である。後輪についても同様のサーボ制御が実行される。

［目標値補正部の詳細］
図３は、目標値補正部120の制御構成を示すブロック図である。目標値補正部120は、異常状態判断部121と、ドライバ操舵角相当値演算部122と、目標前輪転舵角補正部123と、目標後輪舵角補正部124を有する。

異常状態判断部121は、目標前輪舵角θ*p_refと、操舵角θdと、前輪モータ回転角θmfに基づいて、前輪モータ３ａの異常の有無を判断し、異常があれば異常状態フラグＦを１として目標前輪転舵角補正部123及び目標後輪転舵角補正部124へ出力する。

ドライバ操舵角相当値演算部122は、操舵角θdと、前輪モータ回転角θmfと、車速VSPに基づいて、ドライバ操舵角相当値θh（特許請求の範囲に記載の仮想操舵角に相当）を演算し、目標後輪舵角補正部124へ出力する。

ここで、ドライバ操舵角相当値θhとは、現在の前輪舵角として、ドライバ操舵角θdに応じた目標前輪舵角θ*p_refが得られていない状態において、正常に前輪制御系が動作したと仮定した場合、現在の前輪舵角となるドライバ操舵角相当値θh（仮想操舵角）である。

〔異常状態判断部における異常について〕
異常状態判断部121では、通常の前後輪舵角制御（特許請求の範囲に記載の第１車両挙動制御手段に相当）を行っている際に、前輪側での中立ズレが発生した場合を異常状態として判断する。

すなわち、通常時は、ドライバ操舵角θdと車速VSP、及び設定された制御ゲインから前輪舵角目標値θ*p_refを演算し、前輪モータ３ａが駆動制御される。このとき、実前輪転舵角は、ドライバ操舵角θdと前輪モータ回転角θmfを加えたものに一致している。

しかし、操舵角θdの中立位置と実前輪転舵角の中立位置との間に一時的に差が生じる場合がある。例えば、イグニッションOFFの制御停止時に、ステアリングホイール１が操舵された場合や、制御系に何らかの暫定的な異常が発生し、その後回復する場合などである。その場合、中立ズレ角は維持したまま、制御を続行することが考えられる。そして、その中立ズレ角をオフセット角として算出し、このオフセット角を徐々に零にする制御等が行われる。

即ち、上述の前輪モータ回転角指令値に対し、オフセット角を加えたものを補正指令値とし、前輪モータがその補正指令値となるように制御する。同時に、補正指令値に含まれているオフセット角を徐々に零とする制御も平行して実行する。

尚、オフセット角を徐々に零にする制御については詳しくは述べないが、公知の制御方法を適用可能である。例えば、操舵角速度が所定速度を超えている間だけ、一定の割合でオフセット角が少なくなるように前輪モータ３ａを駆動する方法や、特開2000−344121号公報等に記載されているため、詳細は省略する。

このように、実前輪転舵角が、ドライバ操舵角θdと設定された舵角比から求められる前輪舵角目標値θ*p_refとの間で異なっている場合は、後輪舵角目標値演算にドライバ操舵角θdをそのまま用いると、実際の前輪転舵角に対し後輪転舵角が合致せず、所望の車両特性が得られない。

そこで、オフセット角が発生しているときは、後輪舵角目標値δ*refの演算方法を変更し、所望の車両特性に近くなるように制御することとした。ここで、本実施例１の前提について説明する。

前提１）運転者は、ステアリング操作を行う際、目視によりまず前方の走行路の角度関係を認識し、その認識した角度を筋肉によるトルクに変換して操舵する。すなわち、ステアリングホイールの角度を目視して操舵している訳ではないため、前輪側に中立ズレが発生したとしても、その中立ズレを無意識に考慮して前方の角度関係に基づく操舵を実行する。

前提２）本実施例１の車両用操舵制御装置では、ある車速で運転者がある操舵角を発生させた場合には、操舵フィーリングや車両特性としてこの程度のヨーレイトと横加速度を達成するのが最適であるという理論に基づき、前後輪に補助舵角が付与されるよう構成されている。すなわち、ヨーレイトセンサや横加速度センサ等によるフィードバック制御系では、運転者の操舵意図を反映したものではなく、実際に発生した車両挙動に基づいて制御を開始するため、応答遅れを生じると共に、運転者の操舵意図に沿った最適な車両特性を得られない。そこで、操舵角と車速に対しフィードフォワード制御によって車両挙動が発生する前に前後輪補助舵角が設定され、素早い応答を確保している。

ここで、仮に常に実前輪転舵角から車両挙動を推定し、所望の挙動を得るべく前後輪補助舵角を付与する構成とすると、運転者のステアリング操作から前輪が転舵されるまでには遅れが生じるため、運転者の操舵意図を反映できなくなり、そもそも狙っている車両制御特性を得ることができない。

そこで、通常制御時には、運転者の操舵角と車速に基づいて前後輪補助舵角を付与し、前輪側に中立ズレが発生したときのみ、実前輪転舵角から推定したドライバ操舵角相当値θhと車速に基づいて前後輪補助舵角を付与することとした。

（後輪舵角目標値補正方法）
次に、具体的な補正方法について説明する。操舵角θdと前輪モータ回転角θmfから、現在の前輪舵角（θd＋θmf）が求められる。また、操舵角速度dθd/dtは単位時間当たりの操舵角であるから中立ズレの影響を受けない。よって、現在の前輪舵角（θd＋θmf）から微分成分KDf×dθd/dtを引き、現在の前輪舵角（θd＋θmf）に対し、中立ズレを考慮して逆算する。よって、ドライバ操舵角相当値θhは下記式
θh＝｛(θd＋θmf)−KDf×dθd/dt｝/KPf
により表される。

つまり、このドライバ操舵角相当値θhに対する中立ズレ量も含めた現在の前輪舵角（θd＋θmf）は、正常制御時と同等であり、このドライバ操舵角相当値θhから後輪舵角目標値δ*refを演算することで、中立ズレが発生していたとしても、従来の制御ゲインをそのまま用いて所望の特性を得られるものである。

ドライバ操舵角θdに対し、実前輪転舵角は前輪モータ３ａの追従遅れや、コラム部に配置されたカップリング等の捩れなどにより遅れが生じる。このため、ドライバ操舵角相当値θｈを用いて後輪舵角目標値を補正する場合、比例成分はθhを用いて演算する一方、微分成分は、中立ズレの影響を受けない操舵角速度dθd/dtをそのまま用いて演算することとした。
異常状態フラグFiが１にセットされているとき、補正後目標後輪舵角δ*は、下記式
δ*＝KPr×θh＋KDr×dθd/dt
により表される。これにより、中立ズレを考慮しつつ遅れの影響を非常に小さくした目標値を得ることができる。

［目標値補正制御処理］
図８は、目標値補正制御処理の流れを示すフローチャートである。以下、各ステップにつき説明する。
ステップ１０１では、車速VSP,操舵角θdを読み込み、ステップ１０２へ移行する。
ステップ１０２では、目標前輪舵角θ*p_ref及び目標後輪舵角δ*refを演算し、ステップ１０３へ移行する。
ステップ１０３では、前輪舵角異常判断を行い、正常時はステップ１０８へ進み、異常時はステップ１０４へ進む。

ステップ１０４では、目標前輪舵角補正を行い、補正後目標前輪舵角θ*pを演算する。
ステップ１０５では、前輪舵角に発生した中立ズレであるオフセット舵角が許容範囲内すなわち車両挙動に影響を与えない程度の小さな値かどうかを判断し、許容範囲内のときはステップ１０８へ進み、それ以外はステップ１０６へ進む。
ステップ１０６では、操舵角θd,前輪モータ回転角θmfから実前輪転舵角（θd＋θmf）を算出する。
ステップ１０７では、ドライバ舵角相当値θhを算出する。
ステップ１０８では、補正後目標後輪舵角δ*を演算する。
ステップ１０９では、前後輪アクチュエータである前輪モータ３ａ及び後輪モータ６ａを駆動制御する。

上記フローチャートに基づく目標値補正制御の作用効果を図９及び図１０のタイムチャートに基づいて説明する。図９は略等間隔に並べられた第１〜第３パイロンをスラローム走行し、途中で中立ズレが発生した場合の各角度関係を表す図である。尚、このタイムチャートでは、車両の走行速度は比較的低速領域を走行しており、前輪側の舵角制御としては操舵角θdに前輪モータ回転角θmfを加算し、後輪側の舵角制御としては逆相制御が行われているものとする。

運転者がパイロンを目視し、そのパイロンをスラローム走行により回避するときは、運転者はステアリングホイール１を見て操舵する訳ではなく、パイロンを目視してステアリングホイール１を操作する。このとき、時刻ｔ１において、アクチュエータの温度上昇等により復帰可能なテンポラリフェールが発生し、制御ゲインが低下しだす。このとき、運転者が操舵した方向と制御方向とが不一致となることのないように、位相は維持したまま制御量のみが減少するように制御される。この状態で第１パイロンをクリアした後、ステアリングホイール１を切り返す際に、前輪モータ回転角指令値に対し実前輪モータ回転角θmfが遅れ始め、中立ズレが発生する（図９中A領域）。この中立ズレが発生した状態で第２パイロンをクリアすべく右側にステアリングホイール１を切り返すと、中立ズレ分が解消されないまま前輪モータ回転角指令値が演算される。よって、中立ズレ分が加算された状態で実前輪舵角θが発生するため、運転者はあまりステアリングホイール１を右側に操舵することなく（操舵角センサ８の値が小さめ）第２パイロンをクリアすることとなる（図９中B領域）。

次に、第２パイロンをクリアし、第３パイロンをクリアすべく運転者が左側にステアリングホイール１を操舵すると、中立ズレ分が加算された状態でステアリングホイール１を操舵する。よって、操舵角センサ８の値としては、実前輪転舵角θよりも大きく左側に操舵した状態となり（図９中C領域）、これにより初めて所望の実前輪転舵角θを得ることとなる。前輪モータ回転角指令値は操舵角センサ８の値に基づいて設定されるため、大きめの値が出力されるが、中立ズレを検出している。

すなわち、前輪モータ回転角θmfと前輪モータ回転角指令値との関係は図１０に示すようにオフセット角を解消することができず、また、前輪転舵角指令値と実前輪転舵角θとの関係は図１１に示すように乖離することとなる。

このとき、後輪舵角制御では、基本的に操舵角θdに基づいて制御される。目標値補正制御が行われないまま後輪制御が実行されると、図１２の点線に示すように後輪舵角は逆相制御され、右側に舵角が付与される。よって、十分にヨーレイトを発生できなくなり、スムーズなパイロンクリアができない虞がある。

これに対し、目標値補正制御が行われた状態で後輪制御が実行されると、後輪舵角はドライバ操舵角相当値θhに応じて制御されるため、図１２の実線で示すように運転者が目視によりパイロンをクリアしている状態に応じて後輪舵角が付与される。よって、常に適正な逆相舵角を得ることが可能となり、所望のヨーレイトを得ることができる。

実施例１における車両用操舵制御装置を示すシステム構成図である。 実施例１におけるコントロールユニットの構成を表すブロック図である。 実施例１における前輪比例ゲインと車速の関係を表すマップである。 実施例１における後輪比例ゲインと車速の関係を表すマップである。 実施例１における前輪微分ゲインと車速の関係を表すマップである。 実施例１における後輪微分ゲインと車速の関係を表すマップである。 実施例１における目標値補正部の構成を表すブロック図である。 実施例１における目標値補正制御を表すフローチャートである。 実施例１におけるスラローム走行時の角度関係を表すタイムチャートである。 実施例１における前輪モータ回転角指令値と実前輪モータ回転角の関係を表すタイムチャートである。 実施例１における前輪転舵角指令値と実前輪転舵角の関係を表すタイムチャートである。 実施例１における補正制御有りの後輪舵角と補正制御なしの後輪舵角との関係を表すタイムチャートである。

符号の説明

１ ステアリングホイール
２ ステアリングシャフト
３ 前輪舵角アクチュエータ
３ａ 前輪モータ
６ 後輪舵角アクチュエータ
６ａ 後輪モータ
７ 車速センサ
８ 操舵角センサ
100 コントロールユニット

Claims (3)

1. 運転者のステアリングホイール操舵角を検出する操舵角検出手段と、
   検出された操舵角に基づいて、前後輪舵角を制御する第１車両挙動制御手段と、
   を備えた車両用操舵制御装置において、
   前記操舵角と、前輪転舵角との中立ズレを検出する中立ズレ検出手段と、
   中立ズレが検出されたときは、前輪転舵角に基づいて仮想操舵角を演算し、この仮想操舵角に基づいて後輪舵角を制御する第２車両挙動制御手段と、
   を備えたことを特徴とする車両用操舵制御装置。
2. 請求項１に記載の車両用操舵制御装置において、
   前記第２車両挙動制御手段は、前記仮想操舵角の比例成分と、前記検出された操舵角の微分成分から後輪舵角を算出することを特徴とする車両用操舵制御装置。
3. ステアリングホイールの操作（実操舵角）に応じて、前後輪の転舵角を制御する車両用操舵制御方法において、
   ステアリングホイールの中立位置と、ステアリングホイールの操作に応じて転舵される前輪の中立位置との間においてズレを検出した際には、
   前輪の転舵状態に応じて後輪の転舵角を制御するようにしたことを特徴とする車両用操舵制御方法。

Images