JP4304345B2 - 前輪操舵制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の操縦安定性を向上させる前輪操舵制御装置に関する。

従来、交通事故低減を目指す予防安全技術の一つとして、操縦安定性向上技術の開発が行われている。操縦安定性向上技術の例として、左右制駆動力配分によるヨーモーメント制御や前輪アクティブ操舵制御などが挙げられる。
これら技術のうち、車両の前輪タイヤとハンドルが機械的に連結していないものにおける、前輪アクティブ操舵系によるステアリングギヤ比制御技術は、従来より様々な提案がなされている。
このステアリングギヤ比制御は、ハンドル角とタイヤの実舵角のギヤ比（舵角比）を走行条件に応じて変化させる。よって、車両の応答をドライバの感覚に適合させることができ、結果として操縦安定性が向上する。
一般的に、低速では舵角比を小さくすることにより、操舵量が低減され、運転負荷が軽減される。また、高速では舵角比を大きくすることにより、走行安定性が確保される。
例えば、ラックアンドピニオン（Ｒａｃｋ ａｎｄ Ｐｉｎｉｏｎ）のラック歯中央から終端に向けてかみ合いピッチを大きくし、ハンドル角に応じてギヤ比を変化させるＶＧＲ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅａｒ Ｒａｔｉｏ）という技術がある（特開平７−３２３８５２号公報参照）。
また、車速とハンドル角でギヤ比を変化させるＶＧＳ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅａｒ−Ｒａｔｉｏ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）もある（特開平１１−７８９３７号公報参照）。
また、車速と路面摩擦係数でギヤ比を変化させ、加えて操舵の微分動作を加えるＶＧＲＳ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅａｒ Ｒａｔｉｏ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）もある（特開平１１−３０１５０７号公報参照）。

ステアリングギヤ比制御は、自動車の操縦安定性向上を目的としている。しかし、その設計は運転者の感応評価などによる試行錯誤的設計が多く、本質的に自動車の操縦安定性理論に基づくステアリングギヤ比の設計がほとんど見られない。
また、急なハンドル操作を行った場合などに、ハンドル角の微分値に応じて前輪タイヤ実舵角を決定するが、その最適設計も理論に基づいたものがほとんど見られない。
また、運転者の制御しやすさの観点から好ましいステアリングギヤ比特性を探る試みもなされているが、明確で定量的なギヤ特性の算出はまだ十分とはいえない。
この発明はこのような点に鑑みてなされたもので、車両の操縦安定性理論に基づいた、ハンドル角に対する車両の操縦安定性を向上させる前輪操舵制御装置を提供することを目的としている。
上記した目的を達成するために、本発明は、車両の操縦安定性を向上させる前輪操舵制御装置において、
前記車両のハンドル角と車速とを読み込む読込手段と、
前記読込手段で読み込んだハンドル角と車速に基づいて、車体重心点横すべり角を常に０とする車両のヨーレイトを算出する第１の算出手段と、
前記第１の算出手段で算出したヨーレイトを実現するための、目標前輪実舵角を算出する第２の算出手段と、
前記第２の算出手段で算出した前記目標前輪実舵角に基づき、前記車両の操舵制御を行う制御手段と、
を有することを特徴とする。
本発明では、前記目標前輪実舵角は、車両のハンドル角に比例したフィードフォワード実舵角と、該ハンドル角の微分値に一次遅れ要素を付加したフィードフォワード実舵角を重ね合わせて算出することができる。

本発明の一実施形態における車両１００の概略構成を示すブロック図である。 同上の実施形態における前輪アクティブ操舵制御器９の動作を示すフローチャートである。 自動車平面運動の等価２輪モデルを示す図である。 前輪アクティブ操舵制御器９で算出する、車速の変化に対する前輪実舵角とハンドル角との舵角比を示す図である。 車速５０ｋｍ／ｈのときのハンドル角に対する前輪実舵角の舵角比の周波数特性を示す図である。 Ｕターン試験の設定コースを示す図である。 Ｕターン試験におけるハンドル角の時系列応答の比較を示す図である。 車線変更試験の設定コースを示す図である。 非制御時の場合の車線変更試験におけるハンドル角、前輪操舵モータ角度、車両のヨーレイトの時系列応答を示す図である。 前輪操舵制御を適用したときの車線変更試験におけるハンドル角、前輪操舵モータ角度、車両のヨーレイトの時系列応答を示す図である。 ハンドル角に対する車両のヨーレイトのリサージュ曲線を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る車両１００の概略構成を示すブロック図である。１はステアリングセンサ、２はハンドル、３はステアリングシャフト、４は前輪操舵モータ、５、６はプーリ、７はベルト、８は電磁クラッチ機構、９は前輪アクティブ操舵制御器（読込手段、第１の算出手段、第２の算出手段、制御手段、第３の算出手段、出力手段）、１０は車速センサ、１１はピニオン、１２はラック、１３、１４は前輪タイヤ、２０は前輪操舵器である。
ステアリングセンサ１は、図示しない可変抵抗器の出力電圧から換算しており、ハンドル２の回転角からハンドル角δｓｗを検出して前輪アクティブ操舵制御器９に出力する。
車速センサ１０は、図示しない光学式速度計を用いて非駆動輪の回転速度から換算しており、この車速センサ１０で検出された車速Ｖを前輪アクティブ操舵制御器９に出力する。
前輪アクティブ操舵制御器９は、図示しないコンピュータ等の離散化されたディジタルシステムで構成され、ステアリングセンサ１から入力されたハンドル角δｓｗと、車速センサ１０で検出された車速Ｖに基づいて、目標前輪操舵モータ角度δｍ＊を算出する。
前輪操舵器２０は、ステアリングシャフト３におけるピニオン１１の上部位置に設けられている。前輪操舵器２０は、ステアリングシャフト３と同軸に取り付けられたプーリ６と、プーリ６と噛合いするベルト７と、ベルト７と噛合いするプーリ５と、プーリ５を回転駆動する前輪操舵モータ４とから成り、前輪タイヤ１３、１４をアクティブに操舵するための操舵アクチュエータを構成している。
前輪タイヤ１３，１４には、一般的なラックアンドピニオン式の操舵機構が設けられている。この操舵機構は、前輪タイヤ１３、１４の操舵軸（タイロッド）に接続されるラック１２と、これに噛合するピニオン１１と、このピニオン１１をハンドル２に与えられる操舵力で回転させるステアリングシャフト３とを備えている。
本発明で取り扱う操舵機構は、ドライバからの操舵入力とモータからの制御入力の干渉を防ぐため、ハンドル２と前輪タイヤ１３、１４が機械的に直結していない。そのため、ステアリングシャフト３の上部を切断している。なお、プーリ６の上部位置には、電磁クラッチ機構８が設けられており、前輪操舵モータ４が故障した際には、電磁クラッチ機構８が締結され、ハンドル２に与えられた操舵力がそのままステアリングシャフト３、ピニオン１１、ラック１２を介して前輪タイヤ１３、１４に入力される。
次に、上記構成の前輪アクティブ操舵制御器９の動作について図２を参照して説明する。この動作は、０．１ｍｓｅｃ毎のサンプリングタイムで実行される。
まず、運転手が運転中にハンドル２を回転させると、ステアリングセンサ１がハンドル角δｓｗを検出し、車速センサ１０が車速Ｖを検出する。前輪アクティブ操舵制御器９は、検出したハンドル角δｓｗと車速Ｖを読み込む（ステップＳ１）。
次に前輪アクティブ操舵制御器９は、検出したハンドル角δｓｗ、車速センサＶに基づいて目標ヨーレイトγｄを下記の式により算出する（ステップＳ２）。

ただし、ｋγｄ、τγｄはそれぞれ目標ヨーレイトの定常ゲインと時定数であり、後述の式（２）、（３）に示すように設定している。ｓはラプラス変換の演算子である。なお、本発明では、高速安定性を向上させるため、ハンドル角に対するヨーレイトの応答を１次遅れ特性とする。
ステップＳ２で算出される目標ヨーレイトγｄの定常ゲインｋγｄおよび時定数τγｄは、操縦安定性の優れる車体横滑り角零化四輪操舵方式のヨーレイト特性と同じとなるように設定する。よって、定常ゲインｋγｄおよび時定数τγｄは下記の式のように表せる。

ただし、Ｖは車速、ｌ_ｆは前輪軸重心点間距離、ｌはホイールベース、Ｎはラックアンドピニオンのギヤ比、ｍは車両質量、ｌ_ｒは後輪軸重心点間距離、Ｃ_ｆは前輪タイヤのコーナリングパワ、ｌｚはヨー慣性モーメントである。
次に前輪アクティブ操舵制御器９は、ステップＳ２で算出された目標ヨーレイトγｄを達成するために、必要な目標前輪実舵角δｆを、式（４）により算出する（ステップＳ３）。

ただし、フィードフォワードコントローラＧｆｆ（ｓ）は、後述する式（１１）で与えられる。
ここで、フィードフォワードコントローラＧｆｆ（ｓ）の算出方法を以下に示す。図３は自動車の平面運動等価２輪モデルである。この運動方程式は、下記の式（５）（６）のように表される。

ただし、Ｃｒは後輪タイヤのコーナリングパワ、βは車体横すべり角である。また、ステアリングシャフト３の回転角度δｓｗと前輪タイヤ１３、１４の実舵角δｆは比例関係で、まったく遅れがないものとすると、以下の関係式が成り立つ。

式（１）〜（２）をラプラス変換して整理すると、ハンドル角に対するヨーレイト応答は以下の式のようになる。

ただし、ヨーレイトの定常ゲインおよび時定数は下記の式のように求まる。

前輪アクティブ操舵制御器９を適用したとき、車体ヨーレイトが目標ヨーレイトと完全に一致するとすれば、式（１）と式（８）より、フィードフォワード制御器の伝達関数Ｇｆｆ（ｓ）は下記の式として算出できる。

式（１１）をさらに整理すると、下記のように記述できる。

上記の式において、右辺の第１項は定常的なハンドル角入力の場合のハンドル角と前輪タイヤ実舵角の舵角比に相当する。
ハンドル角の微分動作を考慮しない場合、前輪実舵角に対するハンドル角の舵角比は下記の式で表される。

式（１３）において、当該車両の諸元を用い、車速の変化に対する舵角比を図４に示す。図４より、車速２５ｋｍ／ｈ以下では、舵角比がラックアンドピニオンのギヤ比より小さく、車速２５ｋｍ／ｈ以上では、その舵角比が大きくなることを示す。
また、式（１２）の右辺の第２項は動的なハンドル角入力の場合の舵角比に相当する。この第２項はハンドル角の微分動作が含まれているため、本発明では微分操舵と呼ぶ。一例として、車速５０ｋｍ／ｈの場合、ハンドル角に対する前輪実舵角の舵角比の周波数特性を図５に示す。これは、車両応答性の遅れを補償するために、高周波数のハンドル角に対して、舵角比を増す役割を持つことを示す。
次に前輪アクティブ操舵制御器９は、前記目標前輪実舵角δｆを達成するために、目標前輪操舵モータ角度δｍ＊を下記の式により算出する（図２のステップＳ４）。

次に前輪アクティブ操舵制御器９は、前輪操舵モータ４内の回転角検出器で検出している実角度を、ステップＳ４で算出した目標モータ角度δｍ＊に一致させるように、目標モータ角度δｍ＊をパルス電圧に変換して前輪操舵モータ４に出力し（ステップＳ５）、処理を終了する。
低速域の取り回し性向上を確認するために、図６に示すＵターン試験を行った。車速は一定３ｋｍ／ｈとした。図６に示すコースを通過できるために必要なハンドル角を計測した。図７より、非制御時の場合は、ドライバが６５０度以上も操舵していることを示す。一方、図４に示すような舵角比を制御した場合、約１回転（３６０度）でＵターンできていることから、ドライバの操作性が大幅に向上していることがわかった。
また、高速域での動的操舵入力における前輪アクティブ操舵制御器の効果を確認するため、図８に示す車線変更試験を行った。実験は車速一定３０ｋｍ／ｈで行った。非制御時と前輪アクティブ操舵制御器を適用した場合のドライバのハンドル角、前輪操舵モータ角度、ヨーレイトの時系列応答を図９、図１０にそれぞれ示す。ハンドル角の時系列応答から、制御時の場合、図１０に示すように、ドライバのハンドル角より前輪モータの方が早めに操舵していることが確認できる。これは微分操舵の効果である。また、車線変更時のハンドル角とヨーレイトのリサージュ曲線を図１１に示す。リサージュ曲線より、非制御時に比べ、ハンドル角とヨーレイトが線形に近い関係を示している。これはハンドル角に対するヨーレイトの位相遅れが改善されることを意味する。また、提案した制御器により、ドライバがより少ないハンドル角でコースを通過することが可能となる。
このように、ドライバのハンドル角と車両の走行速度を検出し、その情報に基づいて前輪タイヤの実舵角とハンドル角との舵角比をモータ制御で可変にすることにより、全車速領域において優れた操縦安定性を持つ車両を実現できる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、前記目標前輪実舵角の算出手段では、フィードフォワード制御の設計手法を示したが、本発明はこれに限定される者ではなく、フィードバック制御等、他の制御手法であってもよい。

以上の説明で明らかなように、本発明によれば、車両のよりよい操縦安定性を図ることができる。
本発明では、車両のハンドル角と車速に基づき、目標ヨーレイト（読込手段で読み込んだハンドル角と車速に基づいて、車体重心点横すべり角を常に０とするヨーレイト）を算出し、目標ヨーレイトを実現するための目標前輪実舵角を算出し、目標前輪実舵角に基づいて車両の操舵制御を行う。これにより、車両の操縦安定性理論に基づいた操舵制御の設計を行うことができ、低速域においてはハンドル角と前輪実舵角の舵角比を小さくすることができ、優れた操縦安定性を有する車両のヨーレイト特性を目標ヨーレイトとするので、低速域においては取り回し性が大幅に向上でき、高速域においては走行安定性が確保される。
また、前輪実舵角をハンドル角と該ハンドル角の微分値により算出する。これにより、前輪実舵角を理論的に算出するため、動的ハンドル角入力の場合にハンドル角に対する車両応答の遅れが補償され、ふらつきがなく、かつ、運転者の操作意図に忠実に動く車両の操舵制御装置を構成できる。

Claims (2)

1. 車両の操縦安定性を向上させる前輪操舵制御装置において、
   前記車両のハンドル角と車速とを読み込む読込手段と、
   前記読込手段で読み込んだハンドル角と車速に基づいて、車体重心点横すべり角を常に０とする車両のヨーレイトを算出する第１の算出手段と、
   前記第１の算出手段で算出したヨーレイトを実現するための、目標前輪実舵角を算出する第２の算出手段と、
   前記第２の算出手段で算出した前記目標前輪実舵角に基づき、前記車両の操舵制御を行う制御手段と
   を有することを特徴とする前輪操舵制御装置。
2. 前記目標前輪実舵角は、車両のハンドル角に比例したフィードフォワード実舵角と、該ハンドル角の微分値に一次遅れ要素を付加したフィードフォワード実舵角を重ね合わせて算出することを特徴とする請求項１に記載の前輪操舵制御装置。

Images