JP2021133775A - 自動操舵制御装置および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】目標操舵角と実際の操舵角との偏差を低減することが可能な自動操舵制御装置および車両を提供する。【解決手段】自動操舵制御装置は、入力された指令値に基づいてステアリングホイールに操舵トルクを付与するモータを有するパワーステアリング用の自動操舵制御装置であって、取得された目標操舵角とステアリングホイールの実際の操舵角との偏差に基づいて、予め定められた制御対象としての物理量の目標値を示す目標物理量を算出するメジャーループと、物理量の測定値および物理量の推定値の少なくとも一つと算出された目標物理量との偏差に基づいて指令値を算出する１つ以上のマイナーループと、を備える。【選択図】図５

Description

本開示は、自動操舵制御装置および車両に関する。

例えば、商用車においては、重量の重い車体の操舵角を制御するため、パワーステアリングのモータトルクを減速機で増幅する必要がある。商用車用のパワーステアリングは、モータトルクを減速機で増幅し、ステアリングホイールの操舵角と転舵輪の角度とを変化させる。

例えば、特許文献１には、車両を目標車線に維持するため、車載カメラ（画像）や距離センサなどの信号に基づいて目標操舵角を生成し、目標操舵角をパワーステアリングに提示する自動運転システムが開示されている。

また、例えば、特許文献２には、目標操舵角と操舵角検出部が検出した実際の操舵角との偏差からフィードバック補償器にてモータトルクの指令値を算出し、実際の操舵角を目標操舵角に収束させることが可能な自動運転システムが開示されている。

国際公開第２０１４／１３６５１５号 特開２０１５−２２３８７５号公報

図１は、ステアリングホイールの回転速度とステアリングホイールに生じる摩擦トルク損との関係を示す図である。図１の横軸にステアリングホイールの回転速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）を示し、縦軸に摩擦トルク損（Ｎ・ｍ）を示す。

特許文献２に記載される単一のフィードバック補償器のみでの操舵角制御では、例えば、減速機の摩擦特性や車両から発生する外乱（例えば、路面からの外乱トルク、モデルと実物との誤差、横加速度）等に対するロバスト性が低い。例えば、クーロン摩擦や粘性摩擦に起因して、図１に示すように、ステアリングホイールの回転速度に対して摩擦トルク損が発生する。これにより、目標操舵角と実際の操舵角との偏差を低減することが困難となる。

目標操舵角と実際の操舵角との偏差があると、車両が目標車線に維持されない場合がある。また、車両が目標車線に近づいたり、離れたりするフラツキが発生する場合がある。これにより、自動運転時の乗り心地が悪化するおそれがある。また、特に、商用車では、重量が重いため、偏差による乗り心地の悪化が顕著になる場合がある。

本開示の目的は、目標操舵角と実際の操舵角との偏差を低減することが可能な自動操舵制御装置および車両を提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示における自動操舵制御装置は、
入力された指令値に基づいてステアリングホイールに操舵トルクを付与するモータを有するパワーステアリング用の自動操舵制御装置であって、
取得された目標操舵角と前記ステアリングホイールの実際の操舵角との偏差に基づいて、予め定められた制御対象としての物理量の目標値を示す目標物理量を算出するメジャーループと、
前記物理量の測定値および前記物理量の推定値の少なくとも一つと前記算出された前記目標物理量との偏差に基づいて前記指令値を算出する１つ以上のマイナーループと、
を備える。

本開示における車両は、
上記の自動操舵制御装置を備える。

本開示によれば、目標操舵角と実際の操舵角との偏差を低減することができる。

図１は、ステアリングホイールの回転速度とステアリングホイールに生じる摩擦トルク損との関係を示す図である。 図２は、本開示の一実施の形態に係るパワーステアリングを備えた車両の構成を示す機能ブロック図である。 図３は、本実施の形態に係るパワーステアリング等の構成を示す機能ブロック図である。 図４は、本実施の形態に係るパワーステアリングの構成を概略的に示す図である。 図５は、本実施の形態に係るパワーステアリング側のＥＣＵの構成を示す機能ブロック図である。 図６は、目標操舵角、従来の制御での操舵角、および、本手法での操舵角を座標上 図７は、本実施の形態の変形例１に係るパワーステアリング側のＥＣＵの構成を示す機能ブロック図である。 図８は、本実施の形態の変形例２に係るパワーステアリング側のＥＣＵの構成を示す機能ブロック図である。 図９は、本実施の形態の変形例３に係るパワーステアリング側のＥＣＵの構成を示す機能ブロック図である。 図１０は、本実施の形態の変形例４に係るパワーステアリング側のＥＣＵの構成を示す機能ブロック図である。に表した図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図２は、本開示の一実施の形態に係るパワーステアリング２０を備えた車両１の構成を示す機能ブロック図である。図３は、パワーステアリング２０等の構成を示す機能ブロック図である。

図２および図３に示すように、車両１は、ステアリングホイール１２、リンク機構１５と、操舵輪１６と、パワーステアリング２０と、車載センサ３０と、自動操舵制御装置４０と、を備える。

ステアリングホイール１２は、ステアリングコラム１３、ステアリングシャフト１４、パワーステアリング２０およびリンク機構１５を介して操舵輪１６に接続されている。

パワーステアリング２０は、図３および図４に示すように、電動モータ２２と、減速機２４と、油圧ユニット２６と、を有する。電動モータ２２は、上述する自動運転システムに適用するために設けられた操舵アクチュエータであって、自動操舵制御装置４０からの制御信号（モータ指令値）に基づいて制御される。

油圧ユニット２６は、油圧ポンプ（不図示）で加圧された作動油が供給されるシリンダー（不図示）と、作動油の圧力により直線運動するピストン（不図示）と、ピストンの直線運動を回転運動に変換し、回転運動をステアリングシャフト１４に伝達するセクタシャフト（不図示）とを有する。

図４は、パワーステアリング２０の構成を概略的に示す図である。図４に示すように、減速機２４は、ウォーム２４ａとウォームホイール２４ｂとを有する。ウォーム２４ａは、電動モータ２２の出力軸に固定される。ウォームホイール２４ｂは、ウォーム２４ａと噛み合う。ウォームホイール２４ｂは、ステアリングコラム１３と同軸に配置される。減速機２４は、減速比に応じてモータトルクを増幅させる。

ウォームホイール２４ｂの回転軸とステアリングコラム１３とは第１トーションバー１７により連結される。ウォームホイール２４ｂの回転軸とステアリングシャフト１４とは第２トーションバー１８により連結される。

車載センサ３０は、例えば、トルクセンサ３２，３２ａおよび回転角センサ３４を有する。

トルクセンサ３２は、第１トーションバー１７の捩れによって生じる回転トルクＴ１を検出する。

トルクセンサ３２ａは、第２トーションバー１８の捩れによって生じる回転トルクＴ２を検出する。

回転角センサ３４は、電動モータ２２のロータの回転角を検出し、検出結果に基づいてステアリングホイール１２の実際の操舵角θｒを算出する。なお、例えば、実際の操舵角θｒは舵角センサにより測定されてもよい。舵角センサは、例えば、検知ギヤと、検知ギヤに内蔵された磁石と、磁石の回転を検知する磁気抵抗素子とを備え、ステアリングホイール１２の基準となる回転位置を予め設定しておき、検知ギヤが回転することで生じる磁気変化に基づいて、予め設定した固定の基準位置からの実際の操舵角θｒ（回転角）及び回転方向（操舵方向）を検出する。

図３に示すように、自動操舵制御装置４０は、車両１側のＥＣＵ４０Ａ（Electronic control Unit）およびパワーステアリング２０側のＥＣＵ４０Ｂを備える。

車両１側のＥＣＵ４０Ａは、目標操舵角演算部４１を有する。目標操舵角演算部４１は、車両１を目標車線に維持するため、車載カメラ１９（図２を参照）や距離センサなどの信号に基づいて目標操舵角を生成し、目標操舵角をパワーステアリング２０側のＥＣＵ４０Ｂに出力する。取得部５３は、車載カメラ１９や距離センサなどの信号を取得する。

図３に示すように、パワーステアリング２０側のＥＣＵ４０Ｂは、モータ指令値演算部４２、ｄｑ軸電流指令値演算部４３および電力変換器指令値演算部４４を有する。

モータ指令値演算部４２は、目標操舵角等に基づいてモータ指令値を演算する。

ｄｑ軸電流指令値演算部４３は、モータ指令値に従って、電動モータ２２の電流値を直交したｄ軸電流と、ｑ軸電流に分離する。電力変換器指令値演算部４４は、電力変換器に必要な電圧を要求する指令値を演算する。電力変換器は、電動モータ２２に電力を供給する。

図５は、パワーステアリング２０側のＥＣＵ４０Ｂの構成を示す機能ブロック図である。図５に示すように、ＥＣＵ４０Ｂは、加減算部４５，４６、角度フィードバック補償器４７、速度フィードバック補償器４８、および、微分器４９を有する。なお、本実施の形態においては、加減算部４５および角度フィードバック補償器４７によってメジャーループ５１が形成される。また、加減算部４６、速度フィードバック補償器４８、および、微分器４９によってマイナーループ５２Ａが形成される。

加減算部４５は、回転角センサ３４から入力された実際の操舵角θｒと車両１側のＥＣＵ４０Ａから入力された目標操舵角θｐとの偏差（θｐ−θｒ）を算出し、算出した偏差を角度フィードバック補償器４７に出力する。

角度フィードバック補償器４７は、加減算部４５により算出された偏差（θｐ−θｒ）に基づいて目標操舵角速度ωｐ（本開示の「目標物理量」に対応する）を加減算部４６に出力する。角度フィードバック補償器４７は、例えば、比例器および積分器を有するＰＩ制御器である。

微分器４９は、回転角センサ３４から入力された実際の操舵角θｒを時間で微分することで、実際の操舵角速度ωｒ（本開示の「物理量の推定値」）を算出し、算出した実際の操舵角速度ωｒを加減算部４６に出力する。

加減算部４６は、角度フィードバック補償器４７により算出された目標操舵角速度ωｐと微分器４９により算出された実施の操舵角速度ωｒとの偏差（ωｐ−ωｒ）を算出し、算出した偏差を速度フィードバック補償器４８に出力する。

速度フィードバック補償器４８は、偏差（ωｐ−ωｒ）に基づいてモータ指令値ｕｐを算出し、算出したモータ指令値ｕｐをパワーステアリング２０に出力する。なお、パワーステアリング２０には、路面から操舵輪１６へ発生するトルク（セルフアライニングトルク）が入力される。

次に、ＥＣＵ４０Ｂの動作について図６を参照して説明する。図６は、目標操舵角、従来の制御での操舵角、および、本実施の形態の手法（以下、本手法）での操舵角のそれぞれを座標上に表した図である。図６の横軸に時間（ｓｅｃ）を示し、縦軸に角度（ｄｅｇ）を示す。ここで、従来の制御は、メジャーループ５１（単一のフィードバック補償器）のみでの制御である。

従来の制御においては、例えば、減速機２４の摩擦特性や車両から発生する外乱等に対するロバスト性が低いため、例えば、外乱による操舵角と目標操舵角の偏差が発生してからモータ指令値が修正される。これにより、図６に点線で示すように、目標操舵角と実際の操舵角との偏差を低減することが困難となる。その結果、車両を目標車線に維持することが困難となり、運転者の意思通りに車両が走行しないため、又は、車両がふらつくため、乗り心地が悪化するおそれがある。

これに対し、本手法においては、マイナーループ５２Ａ内の速度フィードバック補償器４８による外乱への応答性が向上するため、操舵角制御の精度を向上することができる。これにより、図６に一点鎖線で示すように、目標操舵角と実際の操舵角との偏差を低減することができる。その結果、乗り心地が悪化するおそれがない。

上記実施の形態にかかるパワーステアリング２０は、入力されたモータ指令値に基づいてステアリングホイール１２に操舵トルクを付与する電動モータ２２を有するパワーステアリング用の自動操舵制御装置４０であって、取得された目標操舵角θｐとステアリングホイール１２の実際の操舵角θｒとの偏差に基づいて、目標操舵角速度ωｐを算出するメジャーループ５１と、推定又は測定された実際の操舵角速度ωｒと算出された目標操舵角速度ωｐとの偏差に基づいてモータ指令値を算出するマイナーループ５２Ａと、を備える。

マイナーループ５２Ａの速度フィードバック補償器４８を備えることにより、外乱への応答性を向上することが可能となる。その結果、目標操舵角θｐと実際の操舵角θｒとの偏差を低減することができる。これにより、操舵角制御の精度を向上することができるため、車両を目標車線に維持することが容易となり、運転者の意思通りに車両が走行し、車両がふらつかないため、特に、重量が重い商用車であっても、自動運転時の乗り心地が悪化するおそれがない。

上記実施の形態では、ステアリングホイール１２の実際の操舵角θｐを微分することで、実際の操舵角速度ωｐ（物理量の推定値）を算出したが、センサ（不図示）によって実際の操舵角速度ωｐを測定してもよい。

＜変形例１＞
次に、各種の変形例について図７から図１０を参照して説明する。各種の変形例の説明においては、上記実施の形態と異なる構成を主に説明し、同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図７は、本実施の形態の変形例１に係るパワーステアリング２０側のＥＣＵ４０Ｂの構成を示す機能ブロック図である。

上記実施の形態におけるＥＣＵ４０Ｂでは、図５に示すように、マイナーループ５２Ａは、加減算部４６、速度フィードバック補償器４８、および、微分器４９によって形成される。微分器４９は、実際の操舵角θｒに基づいて実際の操舵角速度ωｒを算出する。速度フィードバック補償器４８、実際の操舵角速度ωｒと目標操舵角速度ωｐとに基づいて、モータ指令値を算出する。これにより、操舵角制御の精度は、実際の操舵角θｒの推定値（又は測定値）の精度に影響される。

これに対し、変形例１におけるＥＣＵ４０Ｂでは、図７に示すように、マイナーループ５２Ｂは、加減算部６１，６２、第１トーションバー１７のばね係数ｋｔ１（図４を参照）の伝達関数項６３、および、トルクフィードバック補償器６４によって形成される。

変形例１では、伝達関数項６３は、パワーステアリング２０から入力された実際の操舵角θｒおよびばね係数ｋｔ１に基づいて、第１トーションバー１７に生じるトルクＴｋを算出し、加減算部６２に出力する。

加減算部６２は、トルクセンサ３２から入力される回転トルクＴ１、および、算出されたトルクＴｋに基づいて、実際の駆動トルク（Ｔ１＋Ｔｋ）を算出し、算出した実際の駆動トルク（Ｔ１＋Ｔｋ）を加減算部６１に出力する。実際の駆動トルク（Ｔ１＋Ｔｋ）は、本開示における「制御対象としての物理量の推定値」に対応する。

角度フィードバック補償器４７は、加減算部４５により算出された偏差（θｐ−θｒ）に基づいて、目標ステアリングホイール駆動トルクＴｐを算出し、加減算部６１に出力する。

加減算部６１は、角度フィードバック補償器４７により算出された目標ステアリングホイール駆動トルクＴｐと、実際の駆動トルク（Ｔ１＋Ｔｋ）との偏差を算出し、算出した偏差をトルクフィードバック補償器６４に出力する。

トルクフィードバック補償器６４は、加減算部６１により算出された偏差に基づいてモータ指令値ｕｐを算出し、算出したモータ指令値ｕｐをパワーステアリング２０に出力する。

上記変形例１にかかるパワーステアリング２０は、加減算部６１，６２、第１トーションバー１７のばね係数ｋｔ１の伝達関数項６３、および、トルクフィードバック補償器６４によってマイナーループ５２Ｂが形成される。マイナーループ５２Ｂのトルクフィードバック補償器６４によって、外乱への応答性を向上することが可能となる。その結果、目標操舵角θｐと実際の操舵角θｒとの偏差を低減することが可能となる。また、変形例１にかかる操舵角制御は、実際の駆動トルク（Ｔ１＋Ｔｋ）に基づいて行われるため、操舵角制御の精度は、実際の操舵角θｒの推定値（測定値）の精度に影響され難くなる。

＜変形例２＞
次に、変形例２について図８を参照して説明する。図８は、本実施の形態の変形例２に係るパワーステアリング２０側のＥＣＵ４０Ｂの構成を示す機能ブロック図である。

変形例１におけるＥＣＵ４０Ｂでは、図７に示すように、加減算部６２は、トルクセンサ３２から入力される回転トルクＴ１、および、算出されたトルクＴｋに基づいて、実際の駆動トルク（Ｔ１＋Ｔｋ）を算出し、算出した実際の駆動トルク（Ｔ１＋Ｔｋ）を加減算部６１に出力する。加減算部６１は、目標ステアリングホイール駆動トルクＴｐと実際の駆動トルク（Ｔ１＋Ｔｋ）との偏差を算出する。

これに対し、変形例２におけるＥＣＵ４０Ｂでは、トルクフィードバック補償器６４によってマイナーループ５２ｃが形成される。加減算部６５がトルクセンサ３２から入力される回転トルクＴｒと、角度フィードバック補償器４７により算出された目標ステアリングホイール駆動トルクＴｐとの偏差を算出し、算出した偏差をトルクフィードバック補償器６４に出力する。なお、変形例２にかかるＥＣＵ４０Ｂは、変形例１と同様の効果を奏する。

＜変形例３＞
次に、変形例３について図９を参照して説明する。図９は、本実施の形態の変形例３に係るパワーステアリング２０側のＥＣＵ４０Ｂの構成を示す機能ブロック図である。

変形例３におけるＥＣＵ４０Ｂは、変形例１におけるＥＣＵ４０Ｂにおいて、角度フィードフォワード補償器６６を追加したものである。角度フィードフォワード補償器６６は、角度フィードバック補償器４７に対し並列に接続される。

変形例３におけるＥＣＵ４０Ｂでは、角度フィードフォワード補償器６６を設けることにより、ＥＣＵ４０Ｂの制御システムにおいて、目標操舵角に対する実際の操舵角の応答速度を早くすることが可能となる。

＜変形例４＞
次に、変形例４について図１０を参照して説明する。図１０は、本実施の形態の変形例４に係るパワーステアリング２０側のＥＣＵ４０Ｂの構成を示す機能ブロック図である。

変形例４におけるＥＣＵ４０Ｂでは、２つのマイナーループを有している。第１のマイナーループは、加減算部４６、微分器４９および速度フィードバック補償器４８（以上、本実施の形態に係るマイナーループ５２Ａに対応する）によって形成される。第２のマイナーループ５２は、加減算部６１，６２、伝達関数項６３、および、トルクフィードバック補償器６４（以上、変形例１に係るマイナーループ５２Ｂに対応する）によって形成される。

変形例４におけるＥＣＵ４０Ｂは、２つのマイナーループ５２Ａ，５２Ｂを有することにより、外乱への応答性がさらに向上する。その結果、目標操舵角θｐと実際の操舵角θｒとの偏差をさらに低減することが可能となる。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

上記実施の形態および各変形例では、マイナーループは、物理量の測定値または物理量の推定値としての操舵角速度（又は駆動トルク）と目標操舵角速度（又は目標ステアリングホイール駆動トルク）との偏差に基づいて指令値を算出する。しかし、本開示はこれに限らず、例えば、マイナーループは、物理量の測定値または物理量の推定値としての操舵角加速度と目標操舵角加速度との偏差に基づいて指令値を算出してもよい（操舵角加速度のマイナーループ）。また、上記実施の形態および各変形例におけるマイナーループと操舵角加速度のマイナーループとを組み合わせてもよい。

また、上記実施の形態では、アシスト力を発生する機構としての油圧ユニット２６を示したが、アシスト機構としては、油圧ユニット２６以外の機構であってもよい。

また、上記実施の形態において、本開示は、ステアリングホイール１２が、ステアリングコラム１３、ステアリングシャフト１４、パワーステアリング２０およびリンク機構１５を介して操舵輪１６に機械的に接続される車両１に適用したが、これに限らず、例えば、ステアリングホイール１２と操舵輪１６とが機械的に接続されない車両にも適用可能である。

本開示は、目標操舵角と実際の操舵角との偏差を低減することが要求されるパワーステアリングを備えた車両に好適に利用される。

１ 車両
１２ ステアリングホイール
１３ ステアリングコラム
１４ ステアリングシャフト
１５ リンク機構
１６ 操舵輪
１７ 第１トーションバー
１８ 第２トーションバー
１９ 車載カメラ
２０ パワーステアリング
２２ 電動モータ
２４ 減速機
２４ａ ウォーム
２４ｂ ウォームホイール
２６ 油圧ユニット
３０ 車載センサ
３２，３２ａ トルクセンサ
３４ 回転角センサ
４０ 自動操舵制御装置
４０Ａ，４０Ｂ ＥＣＵ
４１ 目標操舵角演算部
４２ モータ指令値演算部
４３ ｄｑ軸電流指令値演算部
４４ 電力変換器指令値演算部
４５，４６，６１，６２，６５ 加減算部
４７ 角度フィードバック補償器
４８ 速度フィードバック補償器
４９ 微分器
５１ メジャーループ
５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ マイナーループ
５３ 取得部
６３ 伝達関数項
６４ トルクフィードバック補償器
６６ 角度フィードフォワード補償器

Claims (5)

1. 入力された指令値に基づいてステアリングホイールに操舵トルクを付与するモータを有するパワーステアリング用の自動操舵制御装置であって、
   取得された目標操舵角と前記ステアリングホイールの実際の操舵角との偏差に基づいて、予め定められた制御対象としての物理量の目標値を示す目標物理量を算出するメジャーループと、
   前記物理量の測定値および前記物理量の推定値の少なくとも一つと前記算出された前記目標物理量との偏差に基づいて前記指令値を算出する１つ以上のマイナーループと、
   を備える、
   自動操舵制御装置。
2. 前記マイナーループは、前記算出された目標物理量である前記ステアリングホイールの目標操舵角速度と前記物理量の測定値または前記物理量の推定値である前記ステアリングホイールの操舵角速度との偏差に基づいて前記指令値を算出する、
   請求項１に記載の自動操舵制御装置。
3. 前記マイナーループは、前記算出された目標物理量である前記ステアリングホイールの目標駆動トルクと前記物理量の測定値または前記物理量の推定値である前記ステアリングホイールの駆動トルクに基づいて前記指令値を算出する、
   請求項１または２に記載の自動操舵制御装置。
4. 前記マイナーループは、前記算出された目標物理量である前記ステアリングホイールの目標駆動トルクとトルクセンサの検出値に基づいて前記指令値を算出する、
   請求項１または２に記載の自動操舵制御装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の自動操舵制御装置を備える、車両。

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