JP3899672B2

JP3899672B2 - 車両の操舵装置

Info

Publication number: JP3899672B2
Application number: JP13454598A
Authority: JP
Inventors: 時彦秋田; 憲雄山崎
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2018-04-28
Also published as: JPH11310144A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の操舵装置に関し、特に、車両の走行状態に応じた操舵制御を行なう車両の操舵装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
近時の車両の操舵装置においては、車両走行状態に応じて操舵制御を行なうように構成されており、例えば特開昭６２−２１４０５９号公報には高速時に最適の操縦安定性を得るステアリング角度比（ステアリングホイール回転角／操向車輪実舵角）を基準とし、機敏なハンドリングが要求される中、低速時にはステアリング角度比を小さくし、極低速時には軽い操舵力となるようステアリング角度比を大きくする等、車速等の走行モードの変化に応じてステアリング角度比を自動調整するステアリング装置が提案されている。
【０００３】
また、特開平４−３８２６９号公報には、ステアリングホイールの操舵角に対する車輪転舵角の比を可変とし、車両が停止ないし微速走行している場合には回転伝達比を大きくしてステアリングホイールの操作性を良くし、高速走行時には回転伝達比を小さくして操縦安定性を良くする車両用操舵装置に関し、ステアリングホイールの操舵角が所定角以下のときにのみモータを駆動することとし、モータにかかる負荷トルクを小さくするようにした操舵装置が提案されている。更に、特開平５−１０５１０６号公報にも、高速走行時には舵角比を小さくして高い操縦安定性を得、低速時には舵角比を大きくして車両の取り廻しを容易にする可変舵角比操舵装置が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前掲の公報に記載の操舵装置は、結局、舵角比（操舵角／転舵角）、あるいは一般的にギヤ比（ハンドル角／タイヤ角）と呼ばれる角度比に関し、高速域（または、中、低速域）には小さく、低速域（または、極低速域）では大きくすることが提案されている。このように構成することにより、確かに高速域では良好な操縦安定性が得られ、低速域では良好なステアリング操作性が得られるが、タイヤとの間の摩擦係数が低く滑り易い路面を走行中の場合には、特に高速域ではステアリングホイールを切り過ぎる傾向となり、却って操縦安定性が損なわれるおそれがある。この点に関しては、ステアリングホイールの操作に応じてタイヤ操作トルクを制御するように構成された一般的なパワーステアリング装置においても同様である。
【０００５】
ところで、車両の走行路面状態を判定する適切なファクターとしてタイヤスリップ角がある。これは、タイヤ横滑り角とも呼ばれ、車両のヨーレイトをγ、前後車体速をＶｘ、左右車体速をＶｙ、前輪のタイヤ角をδｆ、車体重心と前輪車軸間の距離Ｌｆとしたとき、タイヤスリップ角αｆはαｆ＝δｆ−｛arctan（Ｖｙ／Ｖｘ）−（Ｖｙ＋Ｌｆ・γ）／Ｖｘ｝として演算される。
【０００６】
そこで、本発明は、車両の走行路面状態に基づきタイヤスリップ角の限界を判定し、判定結果に応じて操舵制御を補正し、あるいは警報を行い得る車両の操舵装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は請求項１に記載のように、車両のステアリングホイールの操舵量に応じて操向タイヤの転舵量を制御する操舵制御手段を備えた車両の操舵装置において、前記車両のヨーレイト、前後車体速、左右車体速及び前輪のタイヤ角を検出する走行状態検出手段と、該走行状態検出手段の検出結果に基づき前記操向タイヤのタイヤスリップ角を演算するタイヤスリップ角演算手段と、前記車両に対するコーナリングフォースを演算するコーナリングフォース演算手段と、該コーナリングフォース演算手段が演算したコーナリングフォースに基づき該コーナリングフォースの履歴を演算する履歴演算手段と、該履歴演算手段の演算結果と前記タイヤスリップ角演算手段の演算結果に基づき前記タイヤスリップ角の限界を判定する限界判定手段とを備えることとしたものである。そして、限界判定手段にてタイヤスリップ角の限界と判定されたときには、例えば警報装置を作動させるように構成することができる。
【００１０】
前記操舵制御手段は、請求項２に記載のように、前記走行状態検出手段の検出結果に応じて前記操向タイヤの転舵量を設定すると共に、前記限界判定手段の判定結果に応じて前記操向タイヤの転舵量を補正するように構成するとよい。
【００１１】
更に、請求項３に記載のように、前記操舵制御手段を、前記限界判定手段が判定した前記タイヤスリップ角の限界を前記操向タイヤが超えるときには、前記操向タイヤの転舵量を低減するように構成するとよい。例えば、前後車体速の増大に伴い操向タイヤの転舵量が少なくなるように制御すると共に、前記限界判定手段がタイヤスリップ角の限界と判定したときには前記操向タイヤの転舵量が少なくなるように制御する構成とするとよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の望ましい実施形態を図面を参照して説明する。図２は本発明の一実施形態に係る操舵装置を含む車両全体の構成を示すもので、操向タイヤたる車両前方のタイヤＦＲ，ＦＬとステアリングホイールＳＷがアクチュエータＡＣを介して連結されている。尚、ＦＲは運転席からみて前方右側のタイヤを示し、以下、ＦＬは前方左側、ＲＲは後方右側、ＲＬは後方左側のタイヤを示す。アクチュエータＡＣは電子制御装置ＥＣＵに接続されており、その出力信号によって駆動制御され、車速等の車両の走行状態に応じて操向タイヤの転舵角（単に、タイヤ角という）が制御されるように構成されている。また、本発明のタイヤスリップ角演算手段、限界判定手段、コーナリングフォース演算手段、履歴演算手段等が電子制御装置ＥＣＵ内に構成されている。更に、本実施形態の車両には、運転者に対し例えば音声信号によって異常を報知する警報装置ＷＲが装着されており、これも電子制御装置ＥＣＵに接続されている。
【００１３】
そして、車両の前後車体速及び左右車体速を検出する前後左右対地速度センサＶＳ、車両前後方向の加速度、及び左右方向の加速度、即ち横加速度を検出する前後左右加速度センサＧＳ、車両のヨーレイトを検出するヨーレイトセンサＹＷ等が設けられている。また、本実施形態では、操向タイヤのタイヤ角を検出する手段としてタイヤ角センサＳ１が設けられている外、ステアリングホイールＳＷの操舵角を検出する手段としてハンドル角センサＳ２が設けられ、操舵トルクを検出する検出手段として操舵トルクセンサＳ３が設けられており、これらが電子制御装置ＥＣＵに接続され、各検出信号が操舵制御に供される。尚、アンチスキッド制御装置（ＡＢＳ）をはじめ、トラクション制御、車両安定性制御、後輪操舵制御、前輪操舵制御、サスペンション制御、パワーステアリング制御、トランスミッション制御等を行なう運動制御システムが搭載されている場合には、これらに供されるセンサを操舵制御に利用することができる。例えば、前後左右対地速度センサＶＳによって直接前後車体速を検出する代わりに、車輪速度センサ（図示せず）の出力信号に基づいて推定する構成としてもよい。
【００１４】
本実施形態の電子制御装置ＥＣＵは、図示は省略するが、バスを介してマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）、メモリ（ＲＯＭ，ＲＡＭ）、入力ポート、出力ポート等と相互に接続され、各センサの出力信号は入力ポートから増幅回路を介してマイクロプロセッサに入力するように構成されている。そして、メモリ（ＲＯＭ）は後述するフローチャートを含む種々の処理に供するプログラムを記憶し、マイクロプロセッサは図示しないイグニッションスイッチが閉成されている間当該プログラムを実行し、メモリ（ＲＡＭ）は当該プログラムの実行に必要な変数データを一時的に記憶するように構成されている。
【００１５】
本実施形態の電子制御装置ＥＣＵ内には、図１に示すように、タイヤスリップ角演算手段ＴＳ、路面状態判定手段ＲＣ、コーナリングフォース履歴演算手段ＣＨ、タイヤ限界判定手段ＴＬ、操舵制御手段ＳＣ等が構成されている。先ず、タイヤスリップ角演算手段ＴＳにおいては、ヨーレイトセンサＹＷ等の検出信号から求められたヨーレイトγ(rad/s) 、前後車体速Ｖｘ(m/s) 、左右車体速Ｖｙ(m/s)及び前輪のタイヤ角δｆ(rad) と、車両モデルにおける車体重心と前輪車軸間の距離Ｌｆ(m) に基づき、タイヤスリップ角αｆがαｆ＝δｆ−｛arctan（Ｖｙ／Ｖｘ）−（Ｖｙ＋Ｌｆ・γ）／Ｖｘ｝として演算される。このタイヤスリップ角は、前述のようにタイヤ横滑り角とも呼ばれ、車両に関する車体横滑り角βと対比される。
【００１６】
路面状態判定手段ＲＣは車体スリップ角演算手段ＢＳ及びコーナリングフォース演算手段ＣＦを具備している。車体スリップ角演算手段ＢＳにおいては、前後車体速Ｖｘ(m/s) が正（＞０）であれば車体スリップ角β(rad) がβ＝arctan（Ｖｙ／Ｖｘ）として求められ、前後車体速Ｖｘが零又は負（≦０）であるときにはβ＝０とされる。この車体スリップ角β及びその時間微分値である車体スリップ角速度ｄβ／ｄｔ(rad/s²)がコーナリングフォース演算手段ＣＦにおけるコーナリングフォースＣｆの演算に供される。更に、コーナリングフォースＣｆの演算には、ヨーレイトセンサＹＷ等の検出信号から求められたヨーレイトγ(rad/s) 、その時間微分値であるヨー加速度ｄγ／ｄｔ(rad/s²)、左右車体速Ｖｙ(m/s) 、車両の横加速度Ｇｙ(m/s²)及び前輪のタイヤ角δｆ(rad) と、車両モデルにおける車体質量ｍ(kgf) 、車体重心と前輪車軸間の距離Ｌｆ(m) 、車体重心と後輪車軸間の距離Ｌｒ(m) 及び慣性モーメントＩｚ(kgf・m²) が用いられ、Ｃｆ＝｛ｍ・（Ｖｘ・γ＋Ｖｘ・ｄβ／ｄｔ）・Ｌｒ＋Ｉｚ・ｄγ／ｄｔ｝／〔（Ｌｆ＋Ｌｒ）・｛δｆ−β−（Ｌｆ・γ）／Ｖｘ｝〕としてコーナリングフォースＣｆが求められる。
【００２８】
コーナリングフォース履歴演算手段ＣＨはタイヤスリップ角−コーナリングフォース特性の履歴、具体的には特性曲線の接線（傾き）を監視するもので、タイヤ限界判定手段ＴＬにおいてコーナリングフォースＣｆの減少を判定することによってタイヤスリップ角αｆの限界を判定することができる。例えば図７のタイヤスリップ角−コーナリングフォース特性曲線に示すように、タイヤスリップ角αｆの増大に伴いコーナリングフォースＣｆの接線の傾きＣｆｈが小さくなり、Ｃｆｈ１からＣｆｈ３に進むに従って小さくなる。タイヤスリップ角αｆが更に増大し、ｘ軸に平行な接線の傾きＣｆｈ３を示すタイヤスリップ角αｆを超えると接線の傾きＣｆｈは負となり、コーナリングフォースＣｆが減少する。従って、傾きＣｆｈ３を示すタイヤスリップ角αｆが限界値ということになる。この場合は、単にコーナリングフォースＣｆの減少による旋回運動能力の減少に留まらず、コーナリングフォースＣｆが減少した後、コーナリングフォースＣｆを元の値に復帰させると所謂リバースステアとなることがあり、車両が不安定状態になる。従って、このときのタイヤスリップ角（即ち、限界）以上にステアリングホイールＳＷを操舵することを回避すべきである。
【００２９】
而して、タイヤ限界判定手段ＴＬにおいてはコーナリングフォースＣｆの減少を判定することによってタイヤスリップ角αｆの限界が判定される。具体的には、タイヤスリップ角−コーナリングフォース特性の接線の傾きＣｆｈが所定値Ｋｈ（例えば、０）未満の状態が所定時間Ｋｔ（例えば、１００msec）以上継続した場合には、そのときのコーナリングフォースＣｆが最大コーナリングフォースＣｆmax とされ、警報装置ＷＲが駆動されると共に、タイヤ角制限係数Ｋｓが例えば０．０５とされ、操舵方向の作動が抑制される。これ以外の通常時にはタイヤ角制限係数Ｋｓは０とされ、警報装置ＷＲは駆動されない。
【００３０】
操舵制御手段ＳＣは、ステアリングホイールＳＷの操舵作動に応じてタイヤＦＲ，ＦＬを駆動制御するアクチュエータＡＣに対し、前後車体速Ｖｘに応じてタイヤＦＲ，ＦＬの転舵量（タイヤ角δｆ）を制御するように構成されている。このとき、タイヤスリップ角の限界内であれば通常の操舵制御が行なわれるが、その限界を超えるときには、これを抑制するようにギヤ比またはタイヤトルクが調整される。具体的には、タイヤ角制御によって操舵制御が行なわれる場合には、前後車体速Ｖｘに応じたギヤ比Ｇｒの特性に対し、コーナリングフォースＣｆが最大コーナリングフォースＣｆmax を下回った値にタイヤ角制限係数Ｋｓを乗じた値（｜Ｃｆmax −Ｃｆ｜・Ｋｓ）が加算され、ギヤ比Ｇｒが大きくなるように設定される。これにより、操舵方向の作動が抑制され、運転者がステアリングホイールＳＷの操舵量を多くしてもタイヤ角δｆが増加しないように制御される。また、トルク制御によって操舵制御が行なわれる場合には、前後車体速Ｖｘに応じたタイヤトルクＴｑの特性に対し、コーナリングフォースＣｆが最大コーナリングフォースＣｆmax を下回った値にタイヤ角制限係数Ｋｓを乗じた値（｜Ｃｆmax −Ｃｆ｜・Ｋｓ）が減算されるように設定される。これにより、操舵方向のタイヤトルクが抑制され、運転者はステアリングホイールＳＷの操舵量を多くすることが困難となるので、緩やかな操舵作動となる。
【００３１】
図３は本実施形態における操舵制御の処理を示すもので、ステップ５０１において各種データが初期化され、ステップ５０２にて、前後左右対地速度センサＶＳ、前後左右加速度センサＧＳ、ヨーレイトセンサＹＷ、タイヤ角センサＳ１等の検出信号が読み込まれる。次に、ステップ５０３，５０４において、コーナリングフォースＣｆ、タイヤスリップ角αｆが演算されるが、これらについては図４及び図５を参照して以下に説明する。図４において、先ずステップ２０１にて車両の前後車体速Ｖｘの正負が判定され、車両が前進しており正（Ｖｘ＞０）の値となっておればステップ２０２に進み、車体スリップ角β (rad) がβ＝ arctan （Ｖｙ／Ｖｘ）として求められ、前後車体速Ｖｘが０又は負、即ち車両が停止又は後退しているときにはステップ２０３に進み、β＝０とされる。而して、ステップ２０４に示す式に基づいてコーナリングフォースＣｆが演算される。また、図５においては、ステップ３０１に車両の前後車体速Ｖｘの正負が判定され、正（Ｖｘ＞０）の値となっておればステップ３０２に進み、タイヤスリップ角αｆがαｆ＝δｆ−｛ arctan （Ｖｙ／Ｖｘ）−Ｌｆ・γ／Ｖｘ｝として演算され、前後車体速Ｖｘが０又は負、即ち車両が停止又は後退しているときにはステップ３０３に進み、αｆ＝０とされる。このタイヤスリップ角αｆとステップ５０３にて演算されたコーナリングフォースＣｆに基づき、ステップ５０５にてコーナリングフォースＣｆの減少が判定され、タイヤスリップ角αｆの限界が判定されるが、これについては図６を参照して後述する。而して、ステップ５０６に進み、ステアリングホイールＳＷの操舵作動に応じてタイヤＦＲ，ＦＬのタイヤ角δｆが制御され、タイヤスリップ角αｆの限界内であれば通常の操舵制御が行なわれる。コーナリングフォースＣｆが減少しているときには、前述のようにギヤ比またはタイヤトルクが調整される。
【００３２】
図６は、ステップ５０５のタイヤ限界判定の処理を示すもので、先ずステップ６０１において、ステップ５０３にて演算されたコーナリングフォースＣｆの履歴演算が行なわれる。即ち、今回のコーナリングフォースＣｆ(n) と前回のコーナリングフォースＣｆ(n-1) の差〔Ｃｆ(n) −Ｃｆ(n-1) 〕と今回のタイヤスリップ角αｆ(n) と前回のタイヤスリップ角αｆ(n-1) の差〔αｆ(n) −αｆ(n-1) 〕との比、即ちタイヤスリップ角−コーナリングフォース特性の接線の傾きＣｆｈが演算される。この傾きＣｆｈが所定値Ｋｈ以上であれば、ステップ６０３に進みタイマの値Ｔｍがクリア（０）されるが、傾きＣｆｈが所定値Ｋｈを下回っている場合にはステップ６０４に進み、タイマの値Ｔｍが所定時間Ｋｔと比較される。
【００３３】
ステップ６０４においてタイマの値Ｔｍが所定時間Ｋｔ未満と判定された場合には、ステップ６０５にてタイマの値Ｔｍがインクリメント（＋１）された後ステップ６０６に進むが、所定時間Ｋｔ以上であればそのままステップ６０６に進む。ステップ６０６においては、タイマの値Ｔｍが所定時間Ｋｔと比較され、タイマの値Ｔｍが所定時間Ｋｔ以上であればステップ６０７に進み、判定フラグＦｓがリセット（０）状態か否かが判定される。尚、この判定フラグＦｓはステップ６０８乃至６１１の処理を１回のみに限定するために設けられている。
【００３４】
而して、ステップ６０７において判定フラグＦｓがリセット（０）状態と判定された場合には（即ち、以下の処理が初めてであれば）、ステップ６０８乃至６１１に進み、判定フラグＦｓがセット（１）され、音声出力指令フラグＦｅがセット（１）され、タイヤ角制限係数Ｋｓが０．０５に設定され、そのときのコーナリングフォースＣｆが最大コーナリングフォースＣｆmax とされる。これにより、警報装置ＷＲが作動すると共に、操舵制御用のアクチュエータＡＣに対しタイヤ角δｆが制限され操舵方向の作動が抑制される。一方、ステップ６０６においてタイマの値Ｔｍが所定時間Ｋｔ未満と判定された場合にはステップ６１２乃至６１４に進み、判定フラグＦｓがリセット（０）され、音声出力指令フラグＦｅがリセット（０）され、タイヤ角制限係数Ｋｓが０に設定されて、メインルーチンに戻る。
【００３５】
以上のように、上記の実施形態によれば、ステアリングホイールＳＷによる操舵時にタイヤスリップ角αｆの限界を確実且つ適切に判定することができるので、判定結果に応じて安定した状態で操舵することができると共に、適切に警報を行なうことができる。例えば、ステアリングホイールＳＷの操舵量が過大であると元の位置に戻す迄に無駄な時間を要し、車両を適正な姿勢に修正することが困難となるが、上記の実施形態によればこれを防止し得ると共に、迅速な操舵制御が可能となるので、車両の安定性が向上する。しかも、アクチュエータＡＣの応答性を必要以上に上げる必要はないので、操舵装置全体としての小型、軽量化が可能となり、コストダウンも可能となる。尚、前述の操舵制御手段ＳＣを有しない通常の操舵装置においても、前述のようにタイヤスリップ角αｆの限界を判定し得るように構成すれば、判定結果に応じて適切に警報を行なうことができるので、運転者が適切に対応することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成されているので以下に記載の効果を奏する。即ち、請求項１に記載の車両の操舵装置においては、操向タイヤのタイヤスリップ角を演算すると共に、コーナリングフォースに基づきその履歴を演算し、これらの演算結果に基づき限界判定手段によりタイヤスリップ角の限界を判定するように構成されているので、容易且つ確実にタイヤスリップ角の限界を判定することができ、その判定結果に応じて操舵制御を的確に補正し、安定した状態で操舵することができる。あるいは、判定結果に応じて適切に警報を行ない、操舵時に車両が不安定となることを防止することができる。
【００３９】
更に、請求項２に記載のように、走行状態検出手段の検出結果に応じて操向タイヤの転舵量を設定すると共に、限界判定手段の判定結果に応じて操向タイヤの転舵量を補正するように構成すれば、車両の走行状態及び路面状態に応じて適切に操舵制御を行ない、安定した状態で操舵することができる。
【００４０】
特に、請求項３に記載のように、タイヤスリップ角の限界を操向タイヤが超えるときには、操向タイヤの転舵量を低減するように構成すれば、車両の安定化方向への操舵制御が確実に行なわれるので、安定した状態で操舵することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る車両の操舵装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る操舵装置を含む車両全体を示す構成図である。
【図３】本発明の一実施形態における操舵制御の処理を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態におけるコーナリングフォースの演算処理を示すフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態におけるタイヤスリップ角の演算処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の一実施形態におけるタイヤ限界判定の処理を示すフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態におけるタイヤスリップ角−コーナリングフォース特性を示すグラフである。
【符号の説明】
ＳＷステアリングホイール
ＡＣアクチュエータ
ＦＲ，ＦＬ，ＲＲ，ＲＬタイヤ
Ｓ１タイヤ角センサ
ＹＷヨーレイトセンサ
ＶＳ前後左右対地速度センサ
ＧＳ前後左右加速度センサ
ＷＲ警報装置

Claims

車両のステアリングホイールの操舵量に応じて操向タイヤの転舵量を制御する操舵制御手段を備えた車両の操舵装置において、前記車両のヨーレイト、前後車体速、左右車体速及び前輪のタイヤ角を検出する走行状態検出手段と、該走行状態検出手段の検出結果に基づき前記操向タイヤのタイヤスリップ角を演算するタイヤスリップ角演算手段と、前記車両に対するコーナリングフォースを演算するコーナリングフォース演算手段と、該コーナリングフォース演算手段が演算したコーナリングフォースに基づき該コーナリングフォースの履歴を演算する履歴演算手段と、該履歴演算手段の演算結果と前記タイヤスリップ角演算手段の演算結果に基づき前記タイヤスリップ角の限界を判定する限界判定手段とを備えたことを特徴とする車両の操舵装置。
前記操舵制御手段を、前記走行状態検出手段の検出結果に応じて前記操向タイヤの転舵量を設定すると共に、前記限界判定手段の判定結果に応じて前記操向タイヤの転舵量を補正するように構成したことを特徴とする請求項１記載の車両の操舵装置。
前記操舵制御手段を、前記限界判定手段が判定した前記タイヤスリップ角の限界を前記操向タイヤが超えるときには、前記操向タイヤの転舵量を低減するように構成したことを特徴とする請求項２記載の車両の操舵装置。