JP3760608B2 - 車両の自動操舵装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両を車線に沿って走行させるために当該車両の操舵を自動的に行う自動操舵装置に関し、特に、操舵力を補助するようにしたパワーステアリングを備えた自動操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような従来の車両の自動操舵装置としては、例えば特開平４−２８７２０６号公報に記載されるものがある。
【０００３】
前記公報に記載の車両の自動操舵装置においては、走行路に描かれた線をカメラ等の撮影装置が撮影した画像から認識し、その認識した線と車両との間の距離から走行路に対する車体の角度偏差を演算し、演算した角度偏差を現在の操舵角に加算して得られる目標舵角に一致するように操舵角を制御することにより、車両を走行路に沿って自動的に走行させるようにしている。また、例えば磁気ネイルと呼ばれる磁石等の磁力源を車線に沿って埋設し、これを車両に取り付けた磁気センサで検出して、車両の横変位を検出し、この検出される横変位が目標とする横変位に一致するように、前輪又は後輪をアクチュエータで操舵制御するものなどもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、ステアリングシャフトに作用する操舵トルクに応じて操舵系に操舵補助力を付与する、パワーステアリングにおいては、高速走行時の操舵フィーリングを向上させるために、車速が増加するにつれて操舵補助力を弱めるようにしている。
【０００５】
このようなパワーステアリングを、前記従来の車両の自動操舵装置に適用した場合、自動操舵装置によりステアリングシャフトが駆動されたときには、これに応じてパワーステアリングが作動して、操舵補助力が付与されることになる。このとき、パワーステアリングによる操舵補助力は、車速が増加するにつれて減少するようになっていることから、自動操舵装置では高速走行時には、低速走行時に比較してより大きい操舵力が要求されることになって、電動機の容量が増大してしまい、自動操舵装置が大型化してしまうという問題がある。
【０００６】
また、車速が増加するにつれて、セルフアライニングトルクが変動するため、このセルフアライニングトルクの変動が操舵サーボ系に、外乱として加わって、車線追従性が悪化するという問題がある。
【０００７】
そこで、この発明は上記従来の問題点に着目してなされたものであり、手動操舵時の操舵力のフィーリングを悪化させることなく、自動操舵装置の小型化を図ると共に、高速時の自動操舵装置の車線追従性の低下を回避することの可能な、車両の自動操舵装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る車両の自動操舵装置は、車線追従のための操舵輪の目標操舵角を算出し、この目標操舵角と前記操舵輪の実操舵角とが一致するように操舵アクチュエータを制御して前記操舵輪を制御するようにした車両の自動操舵装置において、車両の操舵系に発生する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、前記操舵トルクに応じた操舵補助力を所定の操舵補助力付与特性で前記操舵系に付与するパワーステアリングと、前記操舵アクチュエータが前記操舵輪を制御する自動操舵中であるか否かを検出する自動操舵状態検出手段と、当該自動操舵状態検出手段で非自動操舵中であることを検出したとき前記操舵補助力付与特性を第１の操舵補助力付与特性に設定し、自動操舵中であることを検出したとき前記操舵補助力付与特性を前記第１の操舵補助力付与特性に基づく操舵補助力よりも大きな操舵補助力を付与する第２の操舵補助力付与特性に設定する特性切り換え手段と、を備え、前記第２の操舵補助力付与特性は、車速が増加するほど前記操舵補助力が増大するように設定され、前記パワーステアリングは、車速を検出する車速検出手段を有し、当該車速検出手段の検出車速に応じて前記操舵補助力付与特性を前記第２の操舵補助力付与特性に変化させるようになっていることを特徴としている。
【００１２】
この請求項１の発明では、車線追従のために算出した操舵輪の目標操舵角と、実際の操舵角とが一致するように操舵アクチュエータが制御され、実操舵角が目標操舵角となるようにステアリングシャフトが駆動されて、車線追従が行われる。また、パワーステアリングにより、車両の操舵系に発生する操舵トルクに応じた操舵補助力が操舵系に付与されて、操舵が容易に行われる。
【００１３】
このとき、パワーステアリングでは、手動によって、つまり、ステアリングホイールがドライバによって操舵されて操舵トルクが発生した場合には、第１の操舵補助力付与特性に基づいて操舵補助力を発生させ、自動操舵装置によりステアリングシャフトが駆動されて操舵トルクが発生した場合には、第２の操舵補助力付与特性に基づいて操舵補助力を発生させる。このとき、第１の操舵補助力付与特性よりも第２の操舵補助力付与特性の方が、より大きな操舵補助力を付与するように設定しておけば、自動操舵装置により発生させる操舵力はその分少なくてすむから、自動操舵装置の小型化を図ることが可能となる。
【００１５】
このとき、第２の操舵補助力付与特性は、車速が増加するほど操舵補助力が増大するように設定されていて、パワーステアリングでは、車速検出手段で検出した車速に応じて、操舵補助力付与特性を第２の操舵補助力付与特性となるように、つまり、車速が増加するほど、操舵補助力が増大するように制御する。したがって、セルフアライニングトルクは車速が増大するほど大きくなるが、車速に応じて操舵補助力が増大するように設定されるから、操舵サーボ系に外乱として働くセルフアライニングトルクによる影響が的確に低減されることになって、車速追従性の低下が回避されることになる。
【００１６】
また、請求項２に係る車両の自動操舵装置は、前記第２の操舵補助力付与特性は、セルフアライニングトルクに応じた前記操舵補助力を付与する特性であることを特徴としている。
【００１７】
この請求項２の発明では、第２の操舵補助力付与特性は、セルフアライニングトルクに応じた操舵補助力を付与する特性であるから、セルフアライニングトルクが操舵サーボ系に外乱として作用することによる影響を的確に抑制することが可能となる。
【００１８】
さらに、請求項３に係る車両の自動操舵装置は、前記第２の操舵補助力付与特性に、下限を設けたことを特徴としている。この請求項３の発明では、第２の操舵補助力付与特性に下限が設けられているから、すえぎり等、低車速での自動操舵装置による操舵が行われた場合でも、パワーステアリングにより的確な操舵補助力が得られることになる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係る車両の自動操舵装置は、操舵アクチュエータによりステアリングシャフトが駆動される自動操舵中は、非自動操舵中の第１の操舵補助力付与特性に比較して、より大きな操舵補助力を付与する第２の操舵補助力付与特性となるように操舵補助力を付与するようにしたから、操舵アクチュエータで発生すべき補助力を低減することができ、自動操舵装置の小型化を図ることができる。
【００２１】
このとき、第２の操舵補助力付与特性を、車速が増加するほど操舵補助力が増大するように設定し、パワーステアリングでは、車速検出手段で検出した車速に応じて第２の操舵補助力付与特性となるように操舵補助力を付与するようにしたから、操舵サーボ系に外乱として働くセルフアライニングトルクによる影響を的確に低減することができ、車速追従性の低下を回避することができる。
【００２２】
また、請求項２に係る車両の自動操舵装置は、第２の操舵補助力付与特性を、セルフアライニングトルクに応じた操舵補助力を付与する特性にしたから、セルフアライニングトルクが操舵サーボ系に外乱として作用することによる影響を的確に抑制することができ、車線追従性の低下を回避することができる。
【００２３】
さらに、請求項３に係る車両の自動操舵装置は、前記第２の操舵補助力付与特性に、下限を設けたから、低車速で自動操舵装置による操舵が行われた場合でも、パワーステアリングによる的確な操舵補助力を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ここでは、前輪のみを操舵する自動操舵装置について説明する。
【００２５】
図１は、本発明の自動操舵装置の一例を示す概略構成図である。
図中、１Ｆは前左右輪，１Ｒは後左右輪を示し、前左右輪１Ｆにはごく一般的なラックアンドピニオン式の操舵機構が付加されている。この操舵機構は、前左右輪１Ｆの操舵軸（タイロッド）に接続されるラック２と、これに噛合するピニオン３と、このピニオン３をステアリングホイール４に与えられる操舵トルクで回転させるステアリングシャフト５とを備え、前記ラック２，ピニオン３，ステアリングホイール４及びステアリングシャフト５によって、操舵系を構成している。
【００２６】
また、ステアリングシャフト５におけるピニオン３の上部には、減速機を構成するリングギヤ６が同軸に固定され、このリングギヤ６に操舵補助モータ７の駆動軸に連結されたリングギヤ８が噛合され、操舵補助モータ７が後述するコントロールユニット１０から出力されるデューティ制御されたパルス電流によって操舵トルクに応じた操舵補助力を発生するように制御される。そして、リングギヤ６及び８，操舵補助モータ７及び操舵補助モータ７を制御するコントロールユニット１０によってパワーステアリングを構成している。
【００２７】
また、ステアリングシャフト５におけるリングギヤ６の上部には、トルク検出機構を構成する操舵トルクセンサ（操舵トルク検出手段）１２が設けられている。前記トルク検出機構は、ステアリングシャフト５の下端部とピニオン３の上端部とを連結する図示されないトーションバーとその外周に配置された前記操舵トルクセンサ１２とから構成されている。そして、操舵トルクセンサ１２は、前記トーションバーの捩じれ量から操舵トルクを検出し、操舵トルクの大きさに応じた電圧信号であって、且つ、ステアリングホイール４の右切りで正値，ステアリングホイール４の左切りで負値の電圧信号である操舵トルクＴを、前記コントロールユニット１０に供給する。
【００２８】
さらに、ステアリングシャフト５における操舵トルクセンサ１２の上部には、前左右輪１Ｆを自動操舵するための自動操舵機構も付加されている。この自動操舵機構は、前記ステアリングシャフト５と同軸に取り付けられたドリブンギヤ１４と、これに噛合するドライブキヤ１５と、このドライブギヤ１５を回転駆動する自動操舵モータ１６とから構成されている。なお、自動操舵モータ１６とドライブギヤ１５との間にはクラッチ機構１７が介装されており、自動操舵制御時にのみクラッチ機構１７が接続され、そうでないときにはクラッチ機構１７が離間して自動操舵モータ１６の回転力がステアリングシャフト５に入力されないようにしている。そして、これらの機構で操舵アクチュエータを構成し、前記自動操舵モータ１６を含む自動操舵機構は、前記コントロールユニット１０からの制御信号で制御される。
【００２９】
また、この車両には、種々のセンサ類が取り付けられている。図中２１は舵角センサであって、ステアリングシャフト５の回転角から前左右輪１Ｆの実前輪舵角δF を割り出してコントロールユニット１０に出力する。また、図中２２は車速センサ（車速検出手段）であり、例えば変速機の出力軸の回転速度から車両の移動速度（車速Ｖ）を検出してコントロールユニット１０に出力する。また、図中２３は、車線の曲率を検出する車線曲率検出装置であり、例えば道路脇に設置された同軸漏洩ケーブル等により無線送信される車線曲率情報を得て、その車線曲率ρをコントロールユニット１０に出力する。また、図中２４は、自動操舵装置による自動操舵制御の実行を指示するための自動操舵スイッチ（自動操舵状態検出手段）であって、ドライバが自動操舵スイッチ２４をオン状態としたとき、“Ｈ”となる検出信号をコントロールユニット１０に出力する。
【００３０】
一方、磁力源として車線に沿って埋設された図示されない磁石の磁力は、車両の前方下部に取り付けられた磁気センサ２５で検出される。この磁気センサ２５は、単に磁石の磁力の大きさだけでなく、その磁力ベクトルを、車両上下方向に相当する縦成分と、車両幅方向に相当する横成分とに分解して、そのそれぞれの方向と大きさとを検出することができる。
【００３１】
この磁気センサ２５の検出信号は、横変位検出装置２６に出力される。この横変位検出装置２６は、後述する原理に基づいて検出される磁力ベクトルの縦横成分比から車両（厳密には磁気センサ２５）の車線（厳密には磁石）に対する横変位の方向と大きさとを検出（算出）する。なお、この横変位検出装置２６は、図示されないマイクロコンピュータ等の離散化したディジタルシステムで構成され、この横変位検出装置２６で検出された車両の横変位ｙは、コントロールユニット１０に出力される。
【００３２】
前記コントロールユニット１０は図示されないマイクロコンピュータのような離散化されたディジタルシステムで構成されている。このディジタルシステムは、既存のマイクロコンピュータと同様に、前記各センサ類からの検出信号を読み込むための入力インタフェース回路や、必要なプログラムや演算結果等を記憶するＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶装置や、実際に演算処理を行うと共にある程度のバッファ機構を備えたマイクロプロセッサユニット等の演算処理装置や、この演算処理装置で設定した制御信号を、前記パワーステアリングの操舵補助モータ７また、前記自動操舵機構の自動操舵モータ１６に出力するための出力インタフェース回路等を備えている。そして、コントロールユニット１０では、各種センサからの検出信号に基づいて、操舵補助モータ７を駆動しステアリングシャフト５に生じる操舵トルクに応じた操舵補助力を発生させると共に、自動操舵モータ１６を駆動して車両を車線に沿って走行させるように車両の操舵を自動的に行う。
【００３３】
次に、コントロールユニット１０内で実行される、自動操舵制御処理について、図２のフローチャートに基づいて説明する。なお、このフローチャートでは、特に情報の授受のためのステップを設けていないが、演算処理装置で読み込まれた情報や物理量或いは演算された演算結果は随時記憶装置に更新記憶され、また、演算処理に必要なプログラムやマップ，テーブル等は随時記憶装置から演算処理装置のバッファに読み込まれる。
【００３４】
この演算処理は、例えば１０ｍｓｅｃ．といった予め設定されたサンプリング時間ΔＴ毎にタイマ割り込み処理として実行される。
まず、横変位検出装置２６からの横変位ｙを読み込み（ステップＳ１）、次に、車線曲率検出装置２３からの車線曲率ρを読み込む（ステップＳ２）。そして、車速センサ２２からの車速Ｖを読み込む（ステップＳ３）。
【００３５】
次いで、車線追従のための目標前輪舵角δ* を設定する（ステップＳ４）。この目標前輪舵角δ* は、図３に示すように、例えば車線曲率ρとステアリングゲインＧρとで設定されるフィードフォワード項と、横変位ｙに基づき計算されるフィードバック項との和から与えられる。
【００３６】
前記ステアリングゲインＧρは、厳密には車速Ｖに依存するゲインであるが、自動操舵制御による自動運転が行われる頻度の高い車速領域におけるステアリングゲインを代表値として設定するようにしてもよい。車速依存性のステアリングゲインＧρを用いる場合には、ステアリング操舵角に対する横加速度のゲインからステアリングゲインＧρを計算すればよい。また、前記フィードバック項は、例えば古典制御であるＰＩＤ制御により、横変位ｙの比例項Ｋ1 ｐ，積分項Ｋｉ1 ／ｓ，微分項Ｋｄ1 ・ｓ（ｓはラプラス演算子）の和で与えられ、比例係数Ｋ1 ｐ，積分係数Ｋｉ1 ，微分係数Ｋｄ1 のそれぞれは、安定性，収束性等の観点から決定される。
【００３７】
図４は、本実施の形態における操舵サーボ系を示したブロック線図であって、閉ループを構成している。そして、目標前輪舵角δ* と実前輪舵角δF との偏差に基づき、例えばＰＩＤ制御によって指令電圧Ｖ* が設定され、この指令電圧Ｖ* が指令電流Ｉ* に変換されて、自動操舵アクチュエータに供給される。なお、図中、Ｋ2 ｐ，Ｋｉ2 ／ｓ，Ｋｄ2 ・ｓはそれぞれＰＩＤ制御における比例項，積分項，微分項を表し、比例係数Ｋ2 ｐ，積分係数Ｋｉ2 ，微分係数Ｋｄ2 はそれぞれ安定性及び収束性等の観点から決定される。また、図４中のＫVIは指令電圧Ｖ* を指令電流Ｉ* に変換するアンプのゲインであり、Ｊは自動操舵機構の回転部のイナーシャである。
【００３８】
次いで、自動操舵スイッチ２４からのスイッチ情報が“オン”つまり、自動操舵走行が指示されているか否かを判定し（ステップＳ５）、スイッチ情報がオンである場合には、クラッチ機構１７を接続させる制御信号を出力する（ステップＳ６）。そして、実際の前輪舵角つまり、舵角センサ２１からの実前輪舵角δF を、ステップＳ４で設定した目標前輪舵角δ* と一致させるための制御信号を生成し、これを出力する（ステップＳ７）。そして、処理を終了する。
【００３９】
一方、自動操舵スイッチ２４からのスイッチ情報が“オフ”つまり、自動操舵走行が指示されていない場合には、クラッチ機構１７を離間させる制御信号を出力し（ステップＳ８）、処理を終了する。
【００４０】
次に、コントロールユニット１０内で実行される、パワーステアリング制御処理について、図５のフローチャートに基づいて説明する。なお、このフローチャートでも、特に情報の授受のためのステップを設けていないが、演算処理装置で読み込まれた情報や物理量或いは演算された演算結果は随時記憶装置に更新記憶され、また、演算処理に必要なプログラムやマップ，テーブル等は随時記憶装置から演算処理装置のバッファに読み込まれる。
【００４１】
この演算処理は、例えば１０ｍｓｅｃ．といった予め設定されたサンプリング時間ΔＴ毎にタイマ割り込み処理として実行される。
まず、ステップＳ１１で車速センサ２２からの車速Ｖを読み込み、次に、操舵トルクセンサ１２からの操舵トルクＴを読み込む（ステップＳ１２）。次いで、例えば車速Ｖと操舵トルクＴとをもとに、操舵トルクが増加するほど操舵補助力が増加するように、且つ、車速が増加するほど操舵補助力が減少するように、車速と操舵トルクと目標駆動電流値ｉ* との対応を表す予め設定した図示しない制御マップを参照して、操舵補助モータ７への目標駆動電流値ｉ* を決定する（ステップＳ１３）。
【００４２】
次に、自動操舵スイッチ２４からのスイッチ情報を読み込み、自動操舵スイッチ２４からのスイッチ情報が“オン”つまり、ドライバにより自動操舵走行が指示されている場合には（ステップＳ１４）、ステップＳ１５に移行して、通常走行時のアシスト特性（第１の操舵補助力付与特性）と自動操舵走行時のアシスト特性（第２の操舵補助力付与特性）とを表す図６の制御マップから、車速センサ２２からの車速Ｖに対応する操舵補助力差、つまり、車速Ｖにおける、通常走行時の操舵補助力と自動操舵走行時の操舵補助力との差を検出し、この差分の操舵補助力を実現し得る補正値Δｉを検出する。
【００４３】
前記アシスト特性を表す制御マップは、図６に示すように、操舵トルクＴを一定としたときの、車速Ｖと発生すべき操舵補助力との対応を表したものであって、自動操舵走行時には、通常走行時に比較して、より大きな操舵補助力を発生するように設定されている。
【００４４】
そして、ステップＳ１６に移行して、ステップＳ１５で検出した補正値ΔｉをステップＳ１３で設定した目標駆動電流値ｉ* に加算してこれを新たな目標駆動電流値ｉ* とする。そしてステップＳ１７に移行する。
【００４５】
一方、ステップＳ１４で、自動操舵スイッチ２４からのスイッチ情報が“オフ”つまり、ドライバにより自動操舵走行が指示されていない場合には、そのままステップＳ１７に移行する。
【００４６】
このステップＳ１７では、例えば、操舵トルクＴをもとに右切り状態であるか左切り状態であるかを検出すると共に、操舵補助モータ７の実駆動電流ｉを検出し、これと算出した目標駆動電流値ｉ* とが一致するようにデューティ制御を行ってこれを実現し得る制御信号を生成し、操舵補助モータ７に出力する。
【００４７】
ここで、ステップＳ１４〜Ｓ１７の処理が特性切り換え手段に対応している。
次に、本実施の形態の動作を説明する。
ここで、磁力源として磁石を用いた場合、この磁石からの磁力に基づいて車線に対する車両の横変位を検出する原理について簡潔に説明する。磁石からの磁力線が図７に示すように発生しているとき、磁気センサのレベル（高さ）は一定であるから、検出される磁力ベクトルの縦横成分の比がわかれば、磁気センサ、つまり車両は磁石、つまり車線に対してどの程度横方向にずれているかがわかる。すなわち、磁気センサが磁石の真上にあれば、検出される磁力ベクトルの縦横成分の比は１：０になるし、それが横方向にずれればずれるほど、検出される磁力ベクトルの横成分が大きくなり、縦成分は小さくなる。また、磁力ベクトルの横成分の発生方向から、磁気センサ、つまり車両が磁石、つまり、車線に対して、どちらにずれているかもわかる。
【００４８】
次に、この原理を用いて車線に対する車両の横変位を検出するタイミングについて簡潔に説明する。今、車両に取り付けられた磁気センサが、図７で説明したように磁石に対して横方向にずれていないとしたとき（ずれていても横変位が同じなら結局は同じ）、図８ａに示すように磁気センサと磁石との距離をＤとすると、距離Ｄと磁力との関係は図８ｂのようになる。つまり、磁気センサが磁石に最も近いときに、検出される磁力も最大になる。したがって、検出される磁力が最大になったとき、その磁力ベクトルの縦横成分比から車両の横変位を正確に検出することが可能となる。
【００４９】
コントロールユニット１０では、自動運転開始にすぐに対応するために、イグニッションスイッチがオン状態となった時点から、自動操舵制御処理を開始し、横変位検出装置２６からの横変位ｙ，車線曲率検出装置２３からの車線曲率ρ，車速センサ２２からの車速Ｖをもとに、目標前輪舵角δ* を常時算出しておく。そして、ドライバが、自動操舵スイッチ２４をオン状態とした場合には、クラッチ機構１７を接続させる制御信号を出力して、自動操舵モータ１６の回転力をステアリングシャフト５に入力可能な状態とし、検出した目標前輪舵角δ* と、舵角センサ２１からの実前輪舵角δF とをもとに、これらを一致させるための制御信号を生成してこれを自動操舵モータ１６に出力する。
【００５０】
これによって、自動操舵モータ１６の回転力がステアリングシャフト５に入力されて、実前輪舵角δF が目標前輪舵角δ* と一致するように制御されて、自動操舵走行状態となる。
【００５１】
一方、イグニッションスイッチがオン状態となり、コントロールユニット１０が起動状態となると、パワーステアリング制御処理も所定のサンプリング周期で実行され、車速センサ２２からの車速Ｖと、操舵トルクセンサ１２からの操舵トルクＴとをもとに、制御マップから、操舵補助モータ７への目標駆動電流値ｉ* が決定される。そして、自動操舵スイッチ２４がオフ状態、つまり、自動操舵走行がドライバによって指示されていない場合には、この目標駆動電流値ｉ* と操舵補助モータ７の実際の実駆動電流ｉとが一致するように、操舵トルクＴから検出される操舵方向へ操舵補助モータ７を駆動する制御が行われ、その結果、ドライバの操舵に応じて操舵トルクＴと車速Ｖとに応じた操舵補助力がステアリングシャフトに付与される。
【００５２】
そして、このとき、操舵トルクＴが大きくなるほど、操舵補助力は大きくなるように制御され、また、車速が増加するほど操舵補助力が小さくなるように操舵補助モータ７の制御が行われるから、ドライバは、高速走行時には良好な操舵フィーリングを得ることができると共に、ステアリングホイールに作用する操舵トルクに応じて適切な操舵補助力を得ることができる。
【００５３】
一方、自動操舵スイッチ２４がオン状態、つまり、自動操舵走行がドライバによって指示されている場合には、操舵トルクセンサ１２からの操舵トルクＴと、車速センサ２２からの車速Ｖとをもとに、制御マップから目標駆動電流値ｉ* が決定されると共に、通常走行時のアシスト特性と自動操舵走行時のアシスト特性とを表す図６の制御マップから、車速Ｖに対応する操舵補助力差が検出され、これを実現し得る補正値Δｉが検出される。
【００５４】
そして、この補正値Δｉと目標駆動電流値ｉ* との和が新たに目標駆動電流値ｉ* として設定され、この目標駆動電流値ｉ* と操舵補助モータ７の実電流ｉとが一致するように制御が行われる。これによって、自動操舵制御処理によって自動操舵モータ１６が駆動されることによってステアリングシャフト５に生じた操舵トルクＴに応じた操舵補助力がステアリングシャフト５に付与され、前輪舵角の操舵が補助される。
【００５５】
このとき、パワーステアリング制御処理においては、自動操舵走行時には、図６の制御マップにしたがって目標駆動電流値ｉ* をより大きな値に補正するようにしているから、自動操舵走行時には、通常走行時よりもより大きい操舵補助力が発生されることになる。
【００５６】
よって、同じ操舵トルクＴがステアリングシャフト５に生じている場合でも、通常走行時に比較して、自動操舵走行時の方がより大きな操舵補助力が得られることになるから、自動操舵モータ１６が発生すべきステアリングシャフト５を回転させようとする力を、操舵補助モータ７による操舵補助力が負担することになる。
【００５７】
したがって、自動操舵モータ１６が発生すべき操舵力を操舵補助モータ７が負担することから、その分、自動操舵モータ１６の容量を小さくすることが可能となり、自動操舵モータ１６の小型化が可能となる。
【００５８】
また、このとき、自動操舵走行時にのみ、操舵補助力を強めるようにしているから、手動操舵時におけるドライバに与える操舵フィーリングを悪化させることはない。
【００５９】
なお、上記実施の形態においては、図６の制御マップにしたがって、自動操舵走行時には、通常走行時に比較してより大きな操舵補助力を発生するようにし、且つ車速が増加するにつれて操舵補助力が小さくなるようにした場合について説明したが、例えば、自動操舵走行時には一律に操舵補アシスト力を大きくするようにしてもよい。また、車速が増加するにつれて、パワーアシスト力を増加させるようにしてもよい。
【００６０】
つまり、図９の操舵サーボ系のブロック線図に示すように、自動操舵制御処理におけるＰＩＤ制御において、積分要素、つまりＫｉ2 ／ｓがない場合、ステアリングシャフト５に加わるトルクに比例した定常偏差（ここでは定常前輪舵角偏差）が発生する。これは、自動操舵の操舵サーボとしては望ましい構造であって、例えば自動操舵時にドライバがステアリングホイール４を操舵し、目標前輪舵角δM と、実前輪舵角δF とに偏差が生じた場合、仮に積分要素Ｋｉ2 ／ｓがあったとすると、フィードバック項は、時間が経過すると共に増大し、ステアリングシャフト５は元の位置に戻されてしまう。よってドライバの介入を許す意味では偏差が残っている方が好ましい。
【００６１】
したがって、定常偏差をある一定な範囲に収めるためには、前述のトルクを一定な範囲内に収めればよい。操舵系に加わる外乱としてセルフアライニングトルクを挙げると、このセルフアライニングトルクが及ぼす影響がステアリングシャフト５上で一定範囲内に収まるようにパワーステアリングのパワーアシスト力を可変にすればよい。すなわち、セルフアライニングトルクは車速が増加するにつれて大きくなるため、セルフアライニングトルクが増加するほど、つまり、車速が増加するほど、操舵補助力を大きくすればよい。
【００６２】
具体的には、以下のように操舵補助力を発生させればよい。
つまり、セルフアライニングトルクをＴｓ，キャスタートレールをξ，前輪１輪当たりのコーナリングパワーをＫｆ，重心点横滑り角をβ，重心点前輪軸間距離をＬｆ，ヨーレートをｒ，前輪舵角をδ，車速をＶとすると、セルフアライニングトルクＴｓは次式（１）で与えられる。また、定常旋回時のヨーレートｒ，重心点横滑り角βは次式（２），（３）で与えられる。なお、式中のｍは車両質量，Ｌは前輪後輪軸間距離，Ｋｒは後輪一輪のコーナリングパワー，Ｌｒは重心点後輪軸間距離をそれぞれ表す。また、これらの式（１）〜（３）は公知であって、例えば「自動車の運動と制御」（山海堂 安部正人著 Ｐ６９，Ｐ１３１）に記載されている。
【００６３】
前記式（２）及び（３）を式（１）に代入することにより、次式（４）を得ることができる。
【００６４】
Ｔｓ＝２・ξ・Ｋｆ・δ・（ｍ／２Ｌ2 ）・（Ｌｒ／Ｋｆ）／Ｃ……（４）
Ｃ
＝１／Ｖ2 −（ｍ／２Ｌ2 ）・((Ｌｆ・Ｋｆ−Ｌｒ・Ｋｒ)/ (Ｋｆ・Ｋｒ))
ここで、一般の車両はアンダーステアに設定されているから、Ｌｆ・Ｋｆ＜Ｌｒ・Ｋｒとなって、式（４）からセルフアライニングトルクＴｓは常に正となる。そのため、セルフアライニングトルクＴｓは車速Ｖに対する単調増加関数になる。操舵補助力Ｐはこの影響を打ち消すように作用させるため、例えば次式（５）に示すように設定する。なお、式中のＫは比例係数である。
【００６５】
Ｐ＝Ｋ／Ｃ ……（５）
この（５）式にしたがって付与される操舵補助力と、車速との対応を表すアシスト特性を示したのが図１０である。
【００６６】
前記（５）式にしたがって操舵補助力を付与することによって、車速が増加するにしたがって操舵補助力が増加し、この操舵補助力は、セルフアライニングトルクによる外乱を打ち消すように設定された値であるから、セルフアライニングトルクによる影響を的確に低減することができ、車速追従性の低下を回避することができる。
【００６７】
なお、前記（５）にしたがって、操舵補助力Ｐを設定すると、車速が零に向かうにしたがって、操舵補助力Ｐは零に収束することになる。この場合、すえぎり等低車速での自動操舵を行う場合に操舵補助力Ｐを得ることができなくなることになる。よって、操舵補助力Ｐに下限値を設け、低車速時でもある程度の、操舵補助力Ｐを付与するようにしておけば、すえぎり等を行う場合でもパワーステリングによる十分な操舵補助力を得ることができ、操舵を容易に行うことができる。
【００６８】
この車速の増加につれて、操舵補助力を増大させるようにした方法は、例えば、ステアリングシャフト上でステアリングホイールと自動操舵機構の力作用点との間にトルクセンサを設け、自動操舵中にドライバがステアリング動作を行った時に、前記トルクセンサが検出する値が所定値をこえると自動操舵が解除される機構等に適用した場合にも効果的である（例えば、機械的にこれを行うようにしたものに、特開平４−３８２６６号公報に記載のもの等がある。）。
【００６９】
このような機構においては、自動操舵走行時に操舵補助力を高めた場合、通常走行時と同様に自動操舵を解除させるためには、解除させるための所定値を低く設定しなければならない。ここで、トルクセンサに加わるノイズ等によって、誤った自動操舵の解除が行われないようにする必要があるため、所定値をあまり低く設定することは困難である。
【００７０】
しかしながら、自動操舵時に、通常操舵走行時に比較してより大きな操舵補助力を付与する際に、車速が低下するにつれて操舵補助力が小さくなるように制御すれば、一律に操舵補助力を増加させる場合に比較して、前記の自動操舵を解除させるための所定値をより的確に設定することができるから、自動操舵の解除をより的確に行うことができる。
【００７１】
なお、上記実施の形態では、車線曲率ρを、外部からの情報として読み込む場合についてのみ説明したが、この車線曲率ρは、横変位ｙやヨーレート，ヨー角，車速等の運動方程式で表れることは周知であるから、これらを用いて推定することも可能である。
【００７２】
また、上記実施の形態では、パワーステアリング及び自動操舵装置により前輪を操舵する前輪操舵車両に適用した場合について説明したが、パワーステアリング及び自動操舵装置により後輪を操舵する後輪操舵車両に適用することも可能である。
【００７３】
また、上記実施の形態では、パワーステアリング制御処理において、自動操舵走行時には、操舵トルクＴ及び車速Ｖに応じた目標駆動電流値ｉ* を検出し、また、自動操舵走行時及び通常走行時の操舵補助力差を実現し得る補正値Δｉを検出し、補正値Δｉを目標駆動電流値ｉ* に加算して、自動操舵走行時の目標駆動電流値ｉ* を設定するようにした場合について説明したが、例えば、通常走行時と自動操舵走行時とのそれぞれについて、操舵トルクＴ及び車速Ｖに応じた目標駆動電流値ｉ* との対応を表す制御マップを設定し記憶しておき、自動操舵走行時であるか否かに基づいて、制御マップを選択して、目標駆動電流値ｉ* を設定するようにしてもよい。また、制御マップに係わらず、操舵トルクＴ及び車速Ｖに対する関数として記憶しておき、操舵トルクＴ及び車速Ｖに基づいて関数演算を行って目標駆動電流値ｉ* を設定するようにすることも可能であり、要は、操舵トルクＴ及び車速Ｖに対して目標駆動電流値ｉ* を一意に設定できればどのような方法でもよい。
【００７４】
また、上記実施の形態では、パワーステアリングとして、操舵補助モータ７を備えた電動パワーステアリングを適用した場合について説明したが、油圧式のパワーステアリングに適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車両の自動操舵装置の一例を示す車両概略構成図であり、（ａ）は側面図，（ｂ）は平面図である。
【図２】自動操舵制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図３】目標前輪舵角δ* の算出方法を表すブロック線図である。
【図４】操舵サーボ系の一例を示すブロック線図である。
【図５】パワーステアリング制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】通常走行時と自動操舵走行時とのアシスト特性を表す制御マップである。
【図７】車線に埋設された磁石からの磁力ベクトルの説明図である。
【図８】車両に取り付けられた磁気センサで磁石の磁力を検出する説明図である。
【図９】本実施の形態のその他のアシスト特性の説明に供する説明図である。
【図１０】本実施の形態のその他のアシスト特性の一例を示す制御マップである。
【符号の説明】
１Ｆ，１Ｒ 車輪
５ ステアリングシャフト
７ 操舵補助モータ
１０ コントロールユニット
１２ 操舵トルクセンサ
１６ 自動操舵モータ
１７ クラッチ機構
２１ 舵角センサ
２２ 車速センサ
２３ 車線曲率検出装置
２４ 自動操舵スイッチ
２５ 磁気センサ
２６ 横変位検出装置
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両を車線に沿って走行させるために当該車両の操舵を自動的に行う自動操舵装置に関し、特に、操舵力を補助するようにしたパワーステアリングを備えた自動操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような従来の車両の自動操舵装置としては、例えば特開平４−２８７２０６号公報に記載されるものがある。
【０００３】
前記公報に記載の車両の自動操舵装置においては、走行路に描かれた線をカメラ等の撮影装置が撮影した画像から認識し、その認識した線と車両との間の距離から走行路に対する車体の角度偏差を演算し、演算した角度偏差を現在の操舵角に加算して得られる目標舵角に一致するように操舵角を制御することにより、車両を走行路に沿って自動的に走行させるようにしている。また、例えば磁気ネイルと呼ばれる磁石等の磁力源を車線に沿って埋設し、これを車両に取り付けた磁気センサで検出して、車両の横変位を検出し、この検出される横変位が目標とする横変位に一致するように、前輪又は後輪をアクチュエータで操舵制御するものなどもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、ステアリングシャフトに作用する操舵トルクに応じて操舵系に操舵補助力を付与する、パワーステアリングにおいては、高速走行時の操舵フィーリングを向上させるために、車速が増加するにつれて操舵補助力を弱めるようにしている。
【０００５】
このようなパワーステアリングを、前記従来の車両の自動操舵装置に適用した場合、自動操舵装置によりステアリングシャフトが駆動されたときには、これに応じてパワーステアリングが作動して、操舵補助力が付与されることになる。このとき、パワーステアリングによる操舵補助力は、車速が増加するにつれて減少するようになっていることから、自動操舵装置では高速走行時には、低速走行時に比較してより大きい操舵力が要求されることになって、電動機の容量が増大してしまい、自動操舵装置が大型化してしまうという問題がある。
【０００６】
また、車速が増加するにつれて、セルフアライニングトルクが変動するため、このセルフアライニングトルクの変動が操舵サーボ系に、外乱として加わって、車線追従性が悪化するという問題がある。
【０００７】
そこで、この発明は上記従来の問題点に着目してなされたものであり、手動操舵時の操舵力のフィーリングを悪化させることなく、自動操舵装置の小型化を図ると共に、高速時の自動操舵装置の車線追従性の低下を回避することの可能な、車両の自動操舵装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る車両の自動操舵装置は、車線追従のための操舵輪の目標操舵角を算出し、この目標操舵角と前記操舵輪の実操舵角とが一致するように操舵アクチュエータを制御して前記操舵輪を制御するようにした車両の自動操舵装置において、車両の操舵系に発生する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、前記操舵トルクに応じた操舵補助力を所定の操舵補助力付与特性で前記操舵系に付与するパワーステアリングと、前記操舵アクチュエータが前記操舵輪を制御する自動操舵中であるか否かを検出する自動操舵状態検出手段と、当該自動操舵状態検出手段で非自動操舵中であることを検出したとき前記操舵補助力付与特性を第１の操舵補助力付与特性に設定し、自動操舵中であることを検出したとき前記操舵補助力付与特性を前記第１の操舵補助力付与特性に基づく操舵補助力よりも大きな操舵補助力を付与する第２の操舵補助力付与特性に設定する特性切り換え手段と、を備え、前記第２の操舵補助力付与特性は、車速が増加するほど前記操舵補助力が増大するように設定され、前記パワーステアリングは、車速を検出する車速検出手段を有し、当該車速検出手段の検出車速に応じて前記操舵補助力付与特性を前記第２の操舵補助力付与特性に変化させるようになっていることを特徴としている。
【００１２】
この請求項１の発明では、車線追従のために算出した操舵輪の目標操舵角と、実際の操舵角とが一致するように操舵アクチュエータが制御され、実操舵角が目標操舵角となるようにステアリングシャフトが駆動されて、車線追従が行われる。また、パワーステアリングにより、車両の操舵系に発生する操舵トルクに応じた操舵補助力が操舵系に付与されて、操舵が容易に行われる。
【００１３】
このとき、パワーステアリングでは、手動によって、つまり、ステアリングホイールがドライバによって操舵されて操舵トルクが発生した場合には、第１の操舵補助力付与特性に基づいて操舵補助力を発生させ、自動操舵装置によりステアリングシャフトが駆動されて操舵トルクが発生した場合には、第２の操舵補助力付与特性に基づいて操舵補助力を発生させる。このとき、第１の操舵補助力付与特性よりも第２の操舵補助力付与特性の方が、より大きな操舵補助力を付与するように設定しておけば、自動操舵装置により発生させる操舵力はその分少なくてすむから、自動操舵装置の小型化を図ることが可能となる。
【００１５】
このとき、第２の操舵補助力付与特性は、車速が増加するほど操舵補助力が増大するように設定されていて、パワーステアリングでは、車速検出手段で検出した車速に応じて、操舵補助力付与特性を第２の操舵補助力付与特性となるように、つまり、車速が増加するほど、操舵補助力が増大するように制御する。したがって、セルフアライニングトルクは車速が増大するほど大きくなるが、車速に応じて操舵補助力が増大するように設定されるから、操舵サーボ系に外乱として働くセルフアライニングトルクによる影響が的確に低減されることになって、車速追従性の低下が回避されることになる。
【００１６】
また、請求項２に係る車両の自動操舵装置は、前記第２の操舵補助力付与特性は、セルフアライニングトルクに応じた前記操舵補助力を付与する特性であることを特徴としている。
【００１７】
この請求項２の発明では、第２の操舵補助力付与特性は、セルフアライニングトルクに応じた操舵補助力を付与する特性であるから、セルフアライニングトルクが操舵サーボ系に外乱として作用することによる影響を的確に抑制することが可能となる。
【００１８】
さらに、請求項３に係る車両の自動操舵装置は、前記第２の操舵補助力付与特性に、下限を設けたことを特徴としている。この請求項３の発明では、第２の操舵補助力付与特性に下限が設けられているから、すえぎり等、低車速での自動操舵装置による操舵が行われた場合でも、パワーステアリングにより的確な操舵補助力が得られることになる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係る車両の自動操舵装置は、操舵アクチュエータによりステアリングシャフトが駆動される自動操舵中は、非自動操舵中の第１の操舵補助力付与特性に比較して、より大きな操舵補助力を付与する第２の操舵補助力付与特性となるように操舵補助力を付与するようにしたから、操舵アクチュエータで発生すべき補助力を低減することができ、自動操舵装置の小型化を図ることができる。
【００２１】
このとき、第２の操舵補助力付与特性を、車速が増加するほど操舵補助力が増大するように設定し、パワーステアリングでは、車速検出手段で検出した車速に応じて第２の操舵補助力付与特性となるように操舵補助力を付与するようにしたから、操舵サーボ系に外乱として働くセルフアライニングトルクによる影響を的確に低減することができ、車速追従性の低下を回避することができる。
【００２２】
また、請求項２に係る車両の自動操舵装置は、第２の操舵補助力付与特性を、セルフアライニングトルクに応じた操舵補助力を付与する特性にしたから、セルフアライニングトルクが操舵サーボ系に外乱として作用することによる影響を的確に抑制することができ、車線追従性の低下を回避することができる。
【００２３】
さらに、請求項３に係る車両の自動操舵装置は、前記第２の操舵補助力付与特性に、下限を設けたから、低車速で自動操舵装置による操舵が行われた場合でも、パワーステアリングによる的確な操舵補助力を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ここでは、前輪のみを操舵する自動操舵装置について説明する。
【００２５】
図１は、本発明の自動操舵装置の一例を示す概略構成図である。
図中、１Ｆは前左右輪，１Ｒは後左右輪を示し、前左右輪１Ｆにはごく一般的なラックアンドピニオン式の操舵機構が付加されている。この操舵機構は、前左右輪１Ｆの操舵軸（タイロッド）に接続されるラック２と、これに噛合するピニオン３と、このピニオン３をステアリングホイール４に与えられる操舵トルクで回転させるステアリングシャフト５とを備え、前記ラック２，ピニオン３，ステアリングホイール４及びステアリングシャフト５によって、操舵系を構成している。
【００２６】
また、ステアリングシャフト５におけるピニオン３の上部には、減速機を構成するリングギヤ６が同軸に固定され、このリングギヤ６に操舵補助モータ７の駆動軸に連結されたリングギヤ８が噛合され、操舵補助モータ７が後述するコントロールユニット１０から出力されるデューティ制御されたパルス電流によって操舵トルクに応じた操舵補助力を発生するように制御される。そして、リングギヤ６及び８，操舵補助モータ７及び操舵補助モータ７を制御するコントロールユニット１０によってパワーステアリングを構成している。
【００２７】
また、ステアリングシャフト５におけるリングギヤ６の上部には、トルク検出機構を構成する操舵トルクセンサ（操舵トルク検出手段）１２が設けられている。前記トルク検出機構は、ステアリングシャフト５の下端部とピニオン３の上端部とを連結する図示されないトーションバーとその外周に配置された前記操舵トルクセンサ１２とから構成されている。そして、操舵トルクセンサ１２は、前記トーションバーの捩じれ量から操舵トルクを検出し、操舵トルクの大きさに応じた電圧信号であって、且つ、ステアリングホイール４の右切りで正値，ステアリングホイール４の左切りで負値の電圧信号である操舵トルクＴを、前記コントロールユニット１０に供給する。
【００２８】
さらに、ステアリングシャフト５における操舵トルクセンサ１２の上部には、前左右輪１Ｆを自動操舵するための自動操舵機構も付加されている。この自動操舵機構は、前記ステアリングシャフト５と同軸に取り付けられたドリブンギヤ１４と、これに噛合するドライブキヤ１５と、このドライブギヤ１５を回転駆動する自動操舵モータ１６とから構成されている。なお、自動操舵モータ１６とドライブギヤ１５との間にはクラッチ機構１７が介装されており、自動操舵制御時にのみクラッチ機構１７が接続され、そうでないときにはクラッチ機構１７が離間して自動操舵モータ１６の回転力がステアリングシャフト５に入力されないようにしている。そして、これらの機構で操舵アクチュエータを構成し、前記自動操舵モータ１６を含む自動操舵機構は、前記コントロールユニット１０からの制御信号で制御される。
【００２９】
また、この車両には、種々のセンサ類が取り付けられている。図中２１は舵角センサであって、ステアリングシャフト５の回転角から前左右輪１Ｆの実前輪舵角δF を割り出してコントロールユニット１０に出力する。また、図中２２は車速センサ（車速検出手段）であり、例えば変速機の出力軸の回転速度から車両の移動速度（車速Ｖ）を検出してコントロールユニット１０に出力する。また、図中２３は、車線の曲率を検出する車線曲率検出装置であり、例えば道路脇に設置された同軸漏洩ケーブル等により無線送信される車線曲率情報を得て、その車線曲率ρをコントロールユニット１０に出力する。また、図中２４は、自動操舵装置による自動操舵制御の実行を指示するための自動操舵スイッチ（自動操舵状態検出手段）であって、ドライバが自動操舵スイッチ２４をオン状態としたとき、“Ｈ”となる検出信号をコントロールユニット１０に出力する。
【００３０】
一方、磁力源として車線に沿って埋設された図示されない磁石の磁力は、車両の前方下部に取り付けられた磁気センサ２５で検出される。この磁気センサ２５は、単に磁石の磁力の大きさだけでなく、その磁力ベクトルを、車両上下方向に相当する縦成分と、車両幅方向に相当する横成分とに分解して、そのそれぞれの方向と大きさとを検出することができる。
【００３１】
この磁気センサ２５の検出信号は、横変位検出装置２６に出力される。この横変位検出装置２６は、後述する原理に基づいて検出される磁力ベクトルの縦横成分比から車両（厳密には磁気センサ２５）の車線（厳密には磁石）に対する横変位の方向と大きさとを検出（算出）する。なお、この横変位検出装置２６は、図示されないマイクロコンピュータ等の離散化したディジタルシステムで構成され、この横変位検出装置２６で検出された車両の横変位ｙは、コントロールユニット１０に出力される。
【００３２】
前記コントロールユニット１０は図示されないマイクロコンピュータのような離散化されたディジタルシステムで構成されている。このディジタルシステムは、既存のマイクロコンピュータと同様に、前記各センサ類からの検出信号を読み込むための入力インタフェース回路や、必要なプログラムや演算結果等を記憶するＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶装置や、実際に演算処理を行うと共にある程度のバッファ機構を備えたマイクロプロセッサユニット等の演算処理装置や、この演算処理装置で設定した制御信号を、前記パワーステアリングの操舵補助モータ７また、前記自動操舵機構の自動操舵モータ１６に出力するための出力インタフェース回路等を備えている。そして、コントロールユニット１０では、各種センサからの検出信号に基づいて、操舵補助モータ７を駆動しステアリングシャフト５に生じる操舵トルクに応じた操舵補助力を発生させると共に、自動操舵モータ１６を駆動して車両を車線に沿って走行させるように車両の操舵を自動的に行う。
【００３３】
次に、コントロールユニット１０内で実行される、自動操舵制御処理について、図２のフローチャートに基づいて説明する。なお、このフローチャートでは、特に情報の授受のためのステップを設けていないが、演算処理装置で読み込まれた情報や物理量或いは演算された演算結果は随時記憶装置に更新記憶され、また、演算処理に必要なプログラムやマップ，テーブル等は随時記憶装置から演算処理装置のバッファに読み込まれる。
【００３４】
この演算処理は、例えば１０ｍｓｅｃ．といった予め設定されたサンプリング時間ΔＴ毎にタイマ割り込み処理として実行される。
まず、横変位検出装置２６からの横変位ｙを読み込み（ステップＳ１）、次に、車線曲率検出装置２３からの車線曲率ρを読み込む（ステップＳ２）。そして、車速センサ２２からの車速Ｖを読み込む（ステップＳ３）。
【００３５】
次いで、車線追従のための目標前輪舵角δ* を設定する（ステップＳ４）。この目標前輪舵角δ* は、図３に示すように、例えば車線曲率ρとステアリングゲインＧρとで設定されるフィードフォワード項と、横変位ｙに基づき計算されるフィードバック項との和から与えられる。
【００３６】
前記ステアリングゲインＧρは、厳密には車速Ｖに依存するゲインであるが、自動操舵制御による自動運転が行われる頻度の高い車速領域におけるステアリングゲインを代表値として設定するようにしてもよい。車速依存性のステアリングゲインＧρを用いる場合には、ステアリング操舵角に対する横加速度のゲインからステアリングゲインＧρを計算すればよい。また、前記フィードバック項は、例えば古典制御であるＰＩＤ制御により、横変位ｙの比例項Ｋ1 ｐ，積分項Ｋｉ1 ／ｓ，微分項Ｋｄ1 ・ｓ（ｓはラプラス演算子）の和で与えられ、比例係数Ｋ1 ｐ，積分係数Ｋｉ1 ，微分係数Ｋｄ1 のそれぞれは、安定性，収束性等の観点から決定される。
【００３７】
図４は、本実施の形態における操舵サーボ系を示したブロック線図であって、閉ループを構成している。そして、目標前輪舵角δ* と実前輪舵角δF との偏差に基づき、例えばＰＩＤ制御によって指令電圧Ｖ* が設定され、この指令電圧Ｖ* が指令電流Ｉ* に変換されて、自動操舵アクチュエータに供給される。なお、図中、Ｋ2 ｐ，Ｋｉ2 ／ｓ，Ｋｄ2 ・ｓはそれぞれＰＩＤ制御における比例項，積分項，微分項を表し、比例係数Ｋ2 ｐ，積分係数Ｋｉ2 ，微分係数Ｋｄ2 はそれぞれ安定性及び収束性等の観点から決定される。また、図４中のＫVIは指令電圧Ｖ* を指令電流Ｉ* に変換するアンプのゲインであり、Ｊは自動操舵機構の回転部のイナーシャである。
【００３８】
次いで、自動操舵スイッチ２４からのスイッチ情報が“オン”つまり、自動操舵走行が指示されているか否かを判定し（ステップＳ５）、スイッチ情報がオンである場合には、クラッチ機構１７を接続させる制御信号を出力する（ステップＳ６）。そして、実際の前輪舵角つまり、舵角センサ２１からの実前輪舵角δF を、ステップＳ４で設定した目標前輪舵角δ* と一致させるための制御信号を生成し、これを出力する（ステップＳ７）。そして、処理を終了する。
【００３９】
一方、自動操舵スイッチ２４からのスイッチ情報が“オフ”つまり、自動操舵走行が指示されていない場合には、クラッチ機構１７を離間させる制御信号を出力し（ステップＳ８）、処理を終了する。
【００４０】
次に、コントロールユニット１０内で実行される、パワーステアリング制御処理について、図５のフローチャートに基づいて説明する。なお、このフローチャートでも、特に情報の授受のためのステップを設けていないが、演算処理装置で読み込まれた情報や物理量或いは演算された演算結果は随時記憶装置に更新記憶され、また、演算処理に必要なプログラムやマップ，テーブル等は随時記憶装置から演算処理装置のバッファに読み込まれる。
【００４１】
この演算処理は、例えば１０ｍｓｅｃ．といった予め設定されたサンプリング時間ΔＴ毎にタイマ割り込み処理として実行される。
まず、ステップＳ１１で車速センサ２２からの車速Ｖを読み込み、次に、操舵トルクセンサ１２からの操舵トルクＴを読み込む（ステップＳ１２）。次いで、例えば車速Ｖと操舵トルクＴとをもとに、操舵トルクが増加するほど操舵補助力が増加するように、且つ、車速が増加するほど操舵補助力が減少するように、車速と操舵トルクと目標駆動電流値ｉ* との対応を表す予め設定した図示しない制御マップを参照して、操舵補助モータ７への目標駆動電流値ｉ* を決定する（ステップＳ１３）。
【００４２】
次に、自動操舵スイッチ２４からのスイッチ情報を読み込み、自動操舵スイッチ２４からのスイッチ情報が“オン”つまり、ドライバにより自動操舵走行が指示されている場合には（ステップＳ１４）、ステップＳ１５に移行して、通常走行時のアシスト特性（第１の操舵補助力付与特性）と自動操舵走行時のアシスト特性（第２の操舵補助力付与特性）とを表す図６の制御マップから、車速センサ２２からの車速Ｖに対応する操舵補助力差、つまり、車速Ｖにおける、通常走行時の操舵補助力と自動操舵走行時の操舵補助力との差を検出し、この差分の操舵補助力を実現し得る補正値Δｉを検出する。
【００４３】
前記アシスト特性を表す制御マップは、図６に示すように、操舵トルクＴを一定としたときの、車速Ｖと発生すべき操舵補助力との対応を表したものであって、自動操舵走行時には、通常走行時に比較して、より大きな操舵補助力を発生するように設定されている。
【００４４】
そして、ステップＳ１６に移行して、ステップＳ１５で検出した補正値ΔｉをステップＳ１３で設定した目標駆動電流値ｉ* に加算してこれを新たな目標駆動電流値ｉ* とする。そしてステップＳ１７に移行する。
【００４５】
一方、ステップＳ１４で、自動操舵スイッチ２４からのスイッチ情報が“オフ”つまり、ドライバにより自動操舵走行が指示されていない場合には、そのままステップＳ１７に移行する。
【００４６】
このステップＳ１７では、例えば、操舵トルクＴをもとに右切り状態であるか左切り状態であるかを検出すると共に、操舵補助モータ７の実駆動電流ｉを検出し、これと算出した目標駆動電流値ｉ* とが一致するようにデューティ制御を行ってこれを実現し得る制御信号を生成し、操舵補助モータ７に出力する。
【００４７】
ここで、ステップＳ１４〜Ｓ１７の処理が特性切り換え手段に対応している。
次に、本実施の形態の動作を説明する。
ここで、磁力源として磁石を用いた場合、この磁石からの磁力に基づいて車線に対する車両の横変位を検出する原理について簡潔に説明する。磁石からの磁力線が図７に示すように発生しているとき、磁気センサのレベル（高さ）は一定であるから、検出される磁力ベクトルの縦横成分の比がわかれば、磁気センサ、つまり車両は磁石、つまり車線に対してどの程度横方向にずれているかがわかる。すなわち、磁気センサが磁石の真上にあれば、検出される磁力ベクトルの縦横成分の比は１：０になるし、それが横方向にずれればずれるほど、検出される磁力ベクトルの横成分が大きくなり、縦成分は小さくなる。また、磁力ベクトルの横成分の発生方向から、磁気センサ、つまり車両が磁石、つまり、車線に対して、どちらにずれているかもわかる。
【００４８】
次に、この原理を用いて車線に対する車両の横変位を検出するタイミングについて簡潔に説明する。今、車両に取り付けられた磁気センサが、図７で説明したように磁石に対して横方向にずれていないとしたとき（ずれていても横変位が同じなら結局は同じ）、図８ａに示すように磁気センサと磁石との距離をＤとすると、距離Ｄと磁力との関係は図８ｂのようになる。つまり、磁気センサが磁石に最も近いときに、検出される磁力も最大になる。したがって、検出される磁力が最大になったとき、その磁力ベクトルの縦横成分比から車両の横変位を正確に検出することが可能となる。
【００４９】
コントロールユニット１０では、自動運転開始にすぐに対応するために、イグニッションスイッチがオン状態となった時点から、自動操舵制御処理を開始し、横変位検出装置２６からの横変位ｙ，車線曲率検出装置２３からの車線曲率ρ，車速センサ２２からの車速Ｖをもとに、目標前輪舵角δ* を常時算出しておく。そして、ドライバが、自動操舵スイッチ２４をオン状態とした場合には、クラッチ機構１７を接続させる制御信号を出力して、自動操舵モータ１６の回転力をステアリングシャフト５に入力可能な状態とし、検出した目標前輪舵角δ* と、舵角センサ２１からの実前輪舵角δF とをもとに、これらを一致させるための制御信号を生成してこれを自動操舵モータ１６に出力する。
【００５０】
これによって、自動操舵モータ１６の回転力がステアリングシャフト５に入力されて、実前輪舵角δF が目標前輪舵角δ* と一致するように制御されて、自動操舵走行状態となる。
【００５１】
一方、イグニッションスイッチがオン状態となり、コントロールユニット１０が起動状態となると、パワーステアリング制御処理も所定のサンプリング周期で実行され、車速センサ２２からの車速Ｖと、操舵トルクセンサ１２からの操舵トルクＴとをもとに、制御マップから、操舵補助モータ７への目標駆動電流値ｉ* が決定される。そして、自動操舵スイッチ２４がオフ状態、つまり、自動操舵走行がドライバによって指示されていない場合には、この目標駆動電流値ｉ* と操舵補助モータ７の実際の実駆動電流ｉとが一致するように、操舵トルクＴから検出される操舵方向へ操舵補助モータ７を駆動する制御が行われ、その結果、ドライバの操舵に応じて操舵トルクＴと車速Ｖとに応じた操舵補助力がステアリングシャフトに付与される。
【００５２】
そして、このとき、操舵トルクＴが大きくなるほど、操舵補助力は大きくなるように制御され、また、車速が増加するほど操舵補助力が小さくなるように操舵補助モータ７の制御が行われるから、ドライバは、高速走行時には良好な操舵フィーリングを得ることができると共に、ステアリングホイールに作用する操舵トルクに応じて適切な操舵補助力を得ることができる。
【００５３】
一方、自動操舵スイッチ２４がオン状態、つまり、自動操舵走行がドライバによって指示されている場合には、操舵トルクセンサ１２からの操舵トルクＴと、車速センサ２２からの車速Ｖとをもとに、制御マップから目標駆動電流値ｉ* が決定されると共に、通常走行時のアシスト特性と自動操舵走行時のアシスト特性とを表す図６の制御マップから、車速Ｖに対応する操舵補助力差が検出され、これを実現し得る補正値Δｉが検出される。
【００５４】
そして、この補正値Δｉと目標駆動電流値ｉ* との和が新たに目標駆動電流値ｉ* として設定され、この目標駆動電流値ｉ* と操舵補助モータ７の実電流ｉとが一致するように制御が行われる。これによって、自動操舵制御処理によって自動操舵モータ１６が駆動されることによってステアリングシャフト５に生じた操舵トルクＴに応じた操舵補助力がステアリングシャフト５に付与され、前輪舵角の操舵が補助される。
【００５５】
このとき、パワーステアリング制御処理においては、自動操舵走行時には、図６の制御マップにしたがって目標駆動電流値ｉ* をより大きな値に補正するようにしているから、自動操舵走行時には、通常走行時よりもより大きい操舵補助力が発生されることになる。
【００５６】
よって、同じ操舵トルクＴがステアリングシャフト５に生じている場合でも、通常走行時に比較して、自動操舵走行時の方がより大きな操舵補助力が得られることになるから、自動操舵モータ１６が発生すべきステアリングシャフト５を回転させようとする力を、操舵補助モータ７による操舵補助力が負担することになる。
【００５７】
したがって、自動操舵モータ１６が発生すべき操舵力を操舵補助モータ７が負担することから、その分、自動操舵モータ１６の容量を小さくすることが可能となり、自動操舵モータ１６の小型化が可能となる。
【００５８】
また、このとき、自動操舵走行時にのみ、操舵補助力を強めるようにしているから、手動操舵時におけるドライバに与える操舵フィーリングを悪化させることはない。
【００５９】
なお、上記実施の形態においては、図６の制御マップにしたがって、自動操舵走行時には、通常走行時に比較してより大きな操舵補助力を発生するようにし、且つ車速が増加するにつれて操舵補助力が小さくなるようにした場合について説明したが、例えば、自動操舵走行時には一律に操舵補アシスト力を大きくするようにしてもよい。また、車速が増加するにつれて、パワーアシスト力を増加させるようにしてもよい。
【００６０】
つまり、図９の操舵サーボ系のブロック線図に示すように、自動操舵制御処理におけるＰＩＤ制御において、積分要素、つまりＫｉ2 ／ｓがない場合、ステアリングシャフト５に加わるトルクに比例した定常偏差（ここでは定常前輪舵角偏差）が発生する。これは、自動操舵の操舵サーボとしては望ましい構造であって、例えば自動操舵時にドライバがステアリングホイール４を操舵し、目標前輪舵角δM と、実前輪舵角δF とに偏差が生じた場合、仮に積分要素Ｋｉ2 ／ｓがあったとすると、フィードバック項は、時間が経過すると共に増大し、ステアリングシャフト５は元の位置に戻されてしまう。よってドライバの介入を許す意味では偏差が残っている方が好ましい。
【００６１】
したがって、定常偏差をある一定な範囲に収めるためには、前述のトルクを一定な範囲内に収めればよい。操舵系に加わる外乱としてセルフアライニングトルクを挙げると、このセルフアライニングトルクが及ぼす影響がステアリングシャフト５上で一定範囲内に収まるようにパワーステアリングのパワーアシスト力を可変にすればよい。すなわち、セルフアライニングトルクは車速が増加するにつれて大きくなるため、セルフアライニングトルクが増加するほど、つまり、車速が増加するほど、操舵補助力を大きくすればよい。
【００６２】
具体的には、以下のように操舵補助力を発生させればよい。
つまり、セルフアライニングトルクをＴｓ，キャスタートレールをξ，前輪１輪当たりのコーナリングパワーをＫｆ，重心点横滑り角をβ，重心点前輪軸間距離をＬｆ，ヨーレートをｒ，前輪舵角をδ，車速をＶとすると、セルフアライニングトルクＴｓは次式（１）で与えられる。また、定常旋回時のヨーレートｒ，重心点横滑り角βは次式（２），（３）で与えられる。なお、式中のｍは車両質量，Ｌは前輪後輪軸間距離，Ｋｒは後輪一輪のコーナリングパワー，Ｌｒは重心点後輪軸間距離をそれぞれ表す。また、これらの式（１）〜（３）は公知であって、例えば「自動車の運動と制御」（山海堂 安部正人著 Ｐ６９，Ｐ１３１）に記載されている。
【００６３】
【００６４】
Ｔｓ＝２・ξ・Ｋｆ・δ・（ｍ／２Ｌ2 ）・（Ｌｒ／Ｋｆ）／Ｃ……（４）
Ｃ
＝１／Ｖ2 −（ｍ／２Ｌ2 ）・((Ｌｆ・Ｋｆ−Ｌｒ・Ｋｒ)/ (Ｋｆ・Ｋｒ))
ここで、一般の車両はアンダーステアに設定されているから、Ｌｆ・Ｋｆ＜Ｌｒ・Ｋｒとなって、式（４）からセルフアライニングトルクＴｓは常に正となる。そのため、セルフアライニングトルクＴｓは車速Ｖに対する単調増加関数になる。操舵補助力Ｐはこの影響を打ち消すように作用させるため、例えば次式（５）に示すように設定する。なお、式中のＫは比例係数である。
【００６５】
Ｐ＝Ｋ／Ｃ ……（５）
この（５）式にしたがって付与される操舵補助力と、車速との対応を表すアシスト特性を示したのが図１０である。
【００６６】
前記（５）式にしたがって操舵補助力を付与することによって、車速が増加するにしたがって操舵補助力が増加し、この操舵補助力は、セルフアライニングトルクによる外乱を打ち消すように設定された値であるから、セルフアライニングトルクによる影響を的確に低減することができ、車速追従性の低下を回避することができる。
【００６７】
なお、前記（５）にしたがって、操舵補助力Ｐを設定すると、車速が零に向かうにしたがって、操舵補助力Ｐは零に収束することになる。この場合、すえぎり等低車速での自動操舵を行う場合に操舵補助力Ｐを得ることができなくなることになる。よって、操舵補助力Ｐに下限値を設け、低車速時でもある程度の、操舵補助力Ｐを付与するようにしておけば、すえぎり等を行う場合でもパワーステリングによる十分な操舵補助力を得ることができ、操舵を容易に行うことができる。
【００６８】
この車速の増加につれて、操舵補助力を増大させるようにした方法は、例えば、ステアリングシャフト上でステアリングホイールと自動操舵機構の力作用点との間にトルクセンサを設け、自動操舵中にドライバがステアリング動作を行った時に、前記トルクセンサが検出する値が所定値をこえると自動操舵が解除される機構等に適用した場合にも効果的である（例えば、機械的にこれを行うようにしたものに、特開平４−３８２６６号公報に記載のもの等がある。）。
【００６９】
このような機構においては、自動操舵走行時に操舵補助力を高めた場合、通常走行時と同様に自動操舵を解除させるためには、解除させるための所定値を低く設定しなければならない。ここで、トルクセンサに加わるノイズ等によって、誤った自動操舵の解除が行われないようにする必要があるため、所定値をあまり低く設定することは困難である。
【００７０】
しかしながら、自動操舵時に、通常操舵走行時に比較してより大きな操舵補助力を付与する際に、車速が低下するにつれて操舵補助力が小さくなるように制御すれば、一律に操舵補助力を増加させる場合に比較して、前記の自動操舵を解除させるための所定値をより的確に設定することができるから、自動操舵の解除をより的確に行うことができる。
【００７１】
なお、上記実施の形態では、車線曲率ρを、外部からの情報として読み込む場合についてのみ説明したが、この車線曲率ρは、横変位ｙやヨーレート，ヨー角，車速等の運動方程式で表れることは周知であるから、これらを用いて推定することも可能である。
【００７２】
また、上記実施の形態では、パワーステアリング及び自動操舵装置により前輪を操舵する前輪操舵車両に適用した場合について説明したが、パワーステアリング及び自動操舵装置により後輪を操舵する後輪操舵車両に適用することも可能である。
【００７３】
また、上記実施の形態では、パワーステアリング制御処理において、自動操舵走行時には、操舵トルクＴ及び車速Ｖに応じた目標駆動電流値ｉ* を検出し、また、自動操舵走行時及び通常走行時の操舵補助力差を実現し得る補正値Δｉを検出し、補正値Δｉを目標駆動電流値ｉ* に加算して、自動操舵走行時の目標駆動電流値ｉ* を設定するようにした場合について説明したが、例えば、通常走行時と自動操舵走行時とのそれぞれについて、操舵トルクＴ及び車速Ｖに応じた目標駆動電流値ｉ* との対応を表す制御マップを設定し記憶しておき、自動操舵走行時であるか否かに基づいて、制御マップを選択して、目標駆動電流値ｉ* を設定するようにしてもよい。また、制御マップに係わらず、操舵トルクＴ及び車速Ｖに対する関数として記憶しておき、操舵トルクＴ及び車速Ｖに基づいて関数演算を行って目標駆動電流値ｉ* を設定するようにすることも可能であり、要は、操舵トルクＴ及び車速Ｖに対して目標駆動電流値ｉ* を一意に設定できればどのような方法でもよい。
【００７４】
また、上記実施の形態では、パワーステアリングとして、操舵補助モータ７を備えた電動パワーステアリングを適用した場合について説明したが、油圧式のパワーステアリングに適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車両の自動操舵装置の一例を示す車両概略構成図であり、（ａ）は側面図，（ｂ）は平面図である。
【図２】自動操舵制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図３】目標前輪舵角δ* の算出方法を表すブロック線図である。
【図４】操舵サーボ系の一例を示すブロック線図である。
【図５】パワーステアリング制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】通常走行時と自動操舵走行時とのアシスト特性を表す制御マップである。
【図７】車線に埋設された磁石からの磁力ベクトルの説明図である。
【図８】車両に取り付けられた磁気センサで磁石の磁力を検出する説明図である。
【図９】本実施の形態のその他のアシスト特性の説明に供する説明図である。
【図１０】本実施の形態のその他のアシスト特性の一例を示す制御マップである。
【符号の説明】
１Ｆ，１Ｒ 車輪
５ ステアリングシャフト
７ 操舵補助モータ
１０ コントロールユニット
１２ 操舵トルクセンサ
１６ 自動操舵モータ
１７ クラッチ機構
２１ 舵角センサ
２２ 車速センサ
２３ 車線曲率検出装置
２４ 自動操舵スイッチ
２５ 磁気センサ
２６ 横変位検出装置
Claims (3)
- 車線追従のための操舵輪の目標操舵角を算出し、この目標操舵角と前記操舵輪の実操舵角とが一致するように操舵アクチュエータを制御して前記操舵輪を制御するようにした車両の自動操舵装置において、
車両の操舵系に発生する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
前記操舵トルクに応じた操舵補助力を所定の操舵補助力付与特性で前記操舵系に付与するパワーステアリングと、
前記操舵アクチュエータが前記操舵輪を制御する自動操舵中であるか否かを検出する自動操舵状態検出手段と、
当該自動操舵状態検出手段で非自動操舵中であることを検出したとき前記操舵補助力付与特性を第１の操舵補助力付与特性に設定し、自動操舵中であることを検出したとき前記操舵補助力付与特性を前記第１の操舵補助力付与特性に基づく操舵補助力よりも大きな操舵補助力を付与する第２の操舵補助力付与特性に設定する特性切り換え手段と、を備え、
前記第２の操舵補助力付与特性は、車速が増加するほど前記操舵補助力が増大するように設定され、
前記パワーステアリングは、車速を検出する車速検出手段を有し、当該車速検出手段の検出車速に応じて前記操舵補助力付与特性を前記第２の操舵補助力付与特性に変化させるようになっていることを特徴とする車両の自動操舵装置。 - 前記第２の操舵補助力付与特性は、セルフアライニングトルクに応じた前記操舵補助力を付与する特性であることを特徴とする請求項１記載の車両の自動操舵装置。
- 前記第２の操舵補助力付与特性に、下限を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両の自動操舵装置。
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