JP5233190B2 - 旋回挙動制御装置、自動車、及び旋回挙動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、旋回挙動制御装置、これを備えた自動車、及び旋回挙動制御方法に関するものである。

４輪操舵において、前輪舵角に対する後輪舵角を所定の伝達関数に従って制御することにより、車両の進行方向と車体の向きを一致させる、つまり車体の横すべり角をゼロにすることができる（非特許文献１参照）。
安部正人著「自動車の運動と制御」山海堂、平成４年７月１０日、ｐ．２０１

しかしながら、横すべり角をゼロにすることはできても、車体が重心点を軸に自転するときに、その重心点よりも後方は旋回外側に張り出すことになるので、例えば狭い道路では車体後部の張り出しに注意しなければならない。しかも、自転中心よりも後方に運転席がある場合、自転によって運転席が旋回外側に変位することになるので、運転者に旋回外側への横加速度が作用することになり、これは旋回方向とは逆方向になるので、違和感を与え兼ねない。
本発明の課題は、４輪操舵によって横すべり角のゼロ化を実現しつつ、操縦性や乗心地の向上を図ることである。

上記の課題を解決するために、本発明に係る旋回挙動制御装置は、前後輪の夫々を転舵可能な転舵機構を備え、運転者のステアリング操作に応じて車両基準点から旋回中心までの目標旋回半径を設定し、旋回中心を通る車両左右方向の直線と車両前後方向の直線との交点でなる、車両進行方向と車両の向きが一致する点を、旋回中心の周りを公転するときの公転基準点として設定し、車両の目標自転中心を設定し、設定した目標旋回半径と公転基準点と目標自転中心とに応じて、車両の目標旋回挙動を設定し、設定した目標旋回挙動に応じて前後輪の目標転舵角を算出し、算出した目標転舵角に応じて駆動機構を駆動制御することを特徴とする。

本発明に係る旋回挙動制御装置によれば、特に公転基準点と目標時点中心を個別に設定することで、所望の旋回挙動を実現することができる。つまり、公転基準点では常に進行方向と車体の向きが一致するので、この公転基準点の位置を車両基準点に合わせれば、横すべり角のゼロ化を実現できる。また、目標自転中心の位置を車両後部にずらせば、車両後部が旋回外側に張り出すことや、運転者に旋回外側への横加速度が作用することを抑制できるので、操縦性や乗心地を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第１実施形態》
《構成》
図１は、本発明の概略構成である。自動車１には、各車輪２ｉ（ｉ＝ＦＬ、ＦＲ、ＲＬ、ＲＲ）を個別に転舵可能な転舵機構３ｉが搭載され、夫々をコントローラ４によって駆動制御し、運転者のステアリング操作に応じたステアリング・バイワイヤを行う。
転舵機構３ｉは、電動モータの回転を、非可逆特性を有するハイポイドギアを介してラック＆ピニオンに伝達することで、車輪を転舵するように構成されている。
コントローラ４は、操舵角センサ５で検出するステアリングホイール６の操舵角と、車輪速センサ７で検出する各車輪速と、転舵角センサ８で検出する各転舵角とを入力し、後述する図３の駆動制御処理を実行する。なお、ステアリング・バイワイヤを行う際、運転者のステアリング操作に対して適度な操舵反力を付与するために、ステアリング系統に接続された反力モータ９の駆動制御を行うものとし、その説明は省略する。

ここでは、旋回挙動の制御について考えるが、先ず用語の定義について、図２に基づいて説明する。「車両基準点Ｏ」とは、車両上に設定した任意の座標原点であり、例えば車両重心点や前輪車軸と後輪車軸の中点とする。「車両座標」とは、車両基準点Ｏに原点をとり、車両の前後方向をＸ軸、車両左右方向をＹ軸とした座標系であり、Ｘ軸では車両前側を正方向、Ｙ軸では車両左側を正方向とする。なお、回転方向については反時計回りを正方向とする。「車速Ｖ」とは、車両基準点Ｏの速度ベクトルである。「車両横すべり角β」とは、車両基準点ＯでのＸ軸に対する車速Ｖの角度である。「車両ヨーレートγ」とは、車両座標の回転速度である。「旋回中心Ｐ」とは、車両基準点Ｏから見て地上速度がゼロとなる点である。「旋回半径ρ」とは、車両基準点Ｏから旋回中心Ｐまでの距離である。「公転基準点Ｌｅ」とは、旋回中心Ｐを通りＹ軸と平行な直線と車両座標Ｘ軸の交点の車両基準点Ｏから見た位置である。「自転中心Ｌｏ」とは、旋回中心Ｐの移動方向と車両座標Ｘ軸の交点の車両基準点Ｏから見た位置である。

次に、コントローラ４で実行される駆動制御処理を、図３のフローチャートに従って説明する。図４は、そのブロック図である。
先ずステップＳ１では、操舵角、各車輪速、各転舵角などの各種データを読込む。
続くステップＳ２では、各車輪速に基づいて車速Ｖを算出する。
続くステップＳ３では、下記に示すように、操舵角θに応じて目標旋回半径Ｒを設定する。Ｒ_Eは操舵角θに対するゲインである。
１／Ｒ(s)＝Ｒ_E×θ(s)

なお、前輪操舵の車両運動特性に近づけるために、下記に示すように、ゲインＲ_Eを算出してもよい。Ａはスタビリティファクタ、Ｌはホイールベース、ｎはステアリングギア比である。
Ｒ_E＝１／｛（１＋ＡＶ²）×Ｌ×ｎ｝
また、ノイズなど高調波の影響を小さくするために、下記に示すように、ローパスフィルタを介して過渡特性を考慮してもよい。
１／Ｒ(s)＝Ｒ_E×｛１／（１＋Ｔｓ）｝×θ(s)
続くステップＳ４では、公転基準点Ｌｅを設定する。
続くステップＳ５では、目標自転中心Ｌｏを設定する。ここでは、後輪車軸よりも後方に目標自転中心Ｌｏを設定する。
続くステップＳ６では、目標旋回半径Ｒ、公転基準点Ｌｅ、及び目標自転中心Ｌｏを実現するための目標横すべり角β、目標ヨーレートγを設定する。

先ず、公転基準点Ｏでは進行方向と車体の向きとが一致するので、下記に示すように、車両基準点Ｏでの目標横すべり角βを算出する。
β＝−（Ｌｅ／ρ）
また、下記に示すように、車両基準点Ｏが旋回半径ρ、車速Ｖで旋回するときの公転のヨーレート｛Ｖ／ρ｝と、車両座標自体が回転するときの自転のヨーレート｛ｓ（Ｌｅ−Ｌｏ）／ρ｝とを加算して目標ヨーレートγを算出する。自転のヨーレートは、公転基準点Ｌｅと目標自転中心Ｌｏとの距離の変化率である。
γ＝｛Ｖ＋ｓ（Ｌｅ−Ｌｏ）｝／ρ

続くステップＳ７では、下記に示すように、目標横すべり角β及び目標ヨーレートγに応じて、前輪及び後輪の目標転舵角δｆ(s)及びδｒ(s)を算出する。Ｖは車速、Ａはスタビリティファクタ、ｍは車両質量、Ｉ_Zは車両のヨー慣性モーメント、Ｃ_fは前輪等価コーナリングパワー、Ｃ_rは後輪等価コーナリングパワー、Ｌ_fは重心と前輪車軸との距離、Ｌ_rは重心と後輪車軸との距離、Ｌはホイールベースである。

続くステップＳ８では、各目標転舵角に転舵角が一致するように、各転舵機構３ｉを駆動制御してから所定のメインプログラムに復帰する。
《作用》
次に、第１実施形態の作用について説明する。
従来の４ＷＳでは、前輪舵角に対する後輪舵角を所定の伝達関数に従って制御することにより、車両の横すべり角をゼロにすることができる。また、運転者のステアリング操作に応じてヨーレートが一次遅れの応答となり、急なステアリング操作をするとヨーレートが大きくなり、これによって車両基準点の方向に旋回半径が小さくなる。このとき、図５に示すように、車体が重心点を軸に自転することになるが、その重心点よりも後方は旋回外側に張り出すことになるので、例えば狭い道路では車体後部の張り出しに注意しなければならない。しかも、自転中心よりも後方に運転席がある場合、自転によって運転席が旋回外側に変位することになるので、運転者に旋回外側への横加速度が作用することになり、これは旋回方向とは逆方向になるので、違和感を与え兼ねない。

そこで、本実施形態では、目標旋回半径Ｒと公転基準点Ｌｅと目標自転中心Ｌｏとを設定し（ステップＳ３〜Ｓ５）、これら目標旋回半径Ｒと公転基準点Ｌｅと目標自転中心Ｌｏとに応じて目標横すべり角β及び目標ヨーレートγを設定し（ステップＳ６）、これら目標横すべり角β及び目標ヨーレートγに応じて前後輪の目標転舵角δｆ(s)及びδｒ(s)を算出し（ステップＳ７）、この目標転舵角δｆ(s)及びδｒ(s)が達成されるように転舵機構３ｉを駆動制御する（ステップＳ８）。

このように、特に公転基準点Ｌｅと目標時点中心Ｌｏを個別に設定することで、所望の旋回挙動を実現することができる。つまり、公転基準点Ｌｅでは常に進行方向と車体の向きが一致するので、この公転基準点Ｌｅの位置を車両基準点Ｏに合わせれば、横すべり角βのゼロ化を実現できる。
また、図５に示すように、自転中心Ｌｏの位置を後輪車軸よりも後方に設定すれば、車両後部が旋回外側に張り出すことを抑制できるので、目標コースに対して自車両の横位置だけに注意して運転すれば、その目標コースに沿って走行することができるので、操縦性が向上する。

ここで、従来技術と本実施形態のシミュレーション結果を比較する。
図６は、計算条件であり、車速４０［ｋｍ／ｈ］で直進している状態から、操舵角を増加させたとする。図７は、前輪舵角と後輪舵角であり、本発明では従来技術よりも微分的な応答特性となる。図８は、横すべり角βとヨーレートγであり、従来技術も本発明も共に横すべり角βがゼロに追従するが、ヨーレートγについては、従来技術よりも本発明の方が増加する。図９は、車体の外形が描く軌跡であり、特に旋回の初期段階で車両後部の旋回外側への張り出しが抑制されることが確認できた。

《応用例》
上記の第１実施形態では、各車輪２ｉの全てを個別に転舵可能な転舵機構３ｉを搭載しているが、少なくとも前後輪の夫々を転舵できればよいので、例えば、図１０に示すように、前輪２ＦＬ・２ＦＲの舵角比を変更可能なギヤ比可変機構１０と、後輪２ＲＬ・２ＲＲを転舵可能な転舵機構１１とを設けることで、前後輪の夫々を転舵するような構成であっても、上記の一実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

《効果》
以上より、ステップＳ３の処理が「旋回半径設定手段」に対応し、ステップＳ４の処理が「公転基準点設定手段」に対応し、ステップＳ５の処理が「自転中心設定手段」に対応し、ステップＳ６の処理が「旋回挙動設定手段」に対応し、ステップＳ７の処理が「算出手段」に対応し、ステップＳ８の処理が「制御手段」に対応している。また、目標横すべり角β及び目標ヨーレートγが「目標旋回挙動」に対応している。

（１）前後輪の夫々を転舵可能な転舵機構と、運転者のステアリング操作に応じて車両基準点から旋回中心までの目標旋回半径を設定する旋回半径設定手段と、旋回中心を通る車両左右方向の直線と車両前後方向の直線との交点を、旋回中心の周りを公転するときの公転基準点として設定する公転基準点設定手段と、車両の目標自転中心を設定する自転中心設定手段と、旋回半径設定手段で設定した目標旋回半径、公転基準点設定手段で設定した公転基準点、及び自転中心設定手段で設定した目標自転中心に応じて、車両の目標旋回挙動を設定する旋回挙動設定手段と、旋回挙動設定手段で設定した目標旋回挙動に応じて前後輪の目標転舵角を算出する算出手段と、算出手段で算出した目標転舵角に応じて駆動機構を駆動制御する制御手段とを備えた。

これにより、特に公転基準点と目標時点中心を個別に設定することで、所望の旋回挙動を実現することができる。つまり、公転基準点では常に進行方向と車体の向きが一致するので、この公転基準点の位置を車両基準点に合わせれば、横すべり角のゼロ化を実現できる。また、目標自転中心の位置に応じて、車両後部が旋回外側に張り出すことや、運転者に旋回外側への横加速度が作用することを抑制できるので、操縦性や乗心地を向上させることができる。

（２）自転中心設定手段は、後輪車軸よりも後方に目標自転中心を設定する。
これにより、車両後部が旋回外側に張り出すことを抑制することができるので、操縦性が向上する。
（３）公転基準点設定手段は、旋回中心を通る車両左右方向の直線と車両前後方向の直線との交点でなる、車両進行方向と車両の向きが一致する点を、旋回中心の周りを公転するときの公転基準点として設定する。
これにより、公転基準点の位置を車両基準点に合わせるときに、確実に横すべり角のゼロ化を実現できる。

（４）旋回挙動設定手段は、車両基準点から公転基準点までの距離を目標旋回半径で除した値に基づいて目標横すべり角を設定する。
このように、目標旋回挙動の一要素である目標横すべり角を容易に設定できる。
（５）旋回挙動設定手段は、車両が目標旋回半径で旋回するときの公転によるヨーレートと、公転基準点及び目標自転中心の距離の変化率でなる自転によるヨーレートと、を加算して目標ヨーレートを設定する。
このように、目標旋回挙動の一要素である目標ヨーレートを容易に設定できる。

《第２実施形態》
《構成》
第２実施形態は、運転者に旋回外側への横加速度が作用することを防ぐものである。
前記ステップＳ５の処理で、運転席よりも後方に目標自転中心Ｌｏを設定する。
《作用》
したがって、図１１に示すように、自転中心Ｌｏの位置を運転席よりも後方に設定すれば、運転者は旋回内側へ移動することになり、旋回外側への横加速度が作用することがない。すなわち、自転中心Ｌｏに作用する横加速度αｙは、下記に示すように、車速Ｖを一定とすると、操舵角θに対して線形の関係になるので、ステアリング操作に対して逆向きの横加速度αｙが作用することはない。したがって、運転者に違和感を与えることがなく、乗心地が向上する。
αｙ＝Ｖ（γ(s)＋ｓβ(s)）
＝Ｖ｛（Ｖ＋ｓ（Ｌｅ−Ｌｏ））−ｓ（Ｌｅ−Ｌｏ）｝Ｒ_Eθ(s)
＝Ｖ²Ｒ_Eθ(s)＝Ｖ²／ρ

ここで、従来技術と本実施形態のシミュレーション結果を比較する。
図１２は、横加速度であり、本実施形態では、旋回初期に旋回逆向きの横加速度を打ち消し、旋回方向と一致する旋回内側へ安定した横加速度が発生することを確認できた。
《効果》
（１）自転中心設定手段は、運転席よりも後方に目標自転中心を設定する。
これにより、運転者に旋回外側への横加速度が作用することを抑制できるので、乗心地が向上する。

概略構成である。 用語の定義である。 駆動制御処理を示すフローチャートである。 ブロック図である。 第１実施形態の作用である。 計算条件を示すタイムチャートである。 転舵角のタイムチャームである。 横すべり角とヨーレートのタイムチャートである。 車体の外形が描く軌跡である。 他の実施形態である。 第２実施形態の作用である。 横加速度のタイムチャートである。

符号の説明

１ 自動車
２ＦＬ〜２ＲＲ 車輪
３ＦＬ〜３ＲＲ 転舵機構
４ コントローラ
５ 操舵角センサ
６ ステアリングホイール
７ 車輪速センサ
８ 転舵角センサ
９ 反力モータ
１０ ギヤ比可変機構
１１ 転舵機構

Claims (7)

1. 前後輪の夫々を転舵可能な転舵機構と、運転者のステアリング操作に応じて車両基準点から旋回中心までの目標旋回半径を設定する旋回半径設定手段と、前記旋回中心を通る車両左右方向の直線と車両前後方向の直線との交点でなる、車両進行方向と車両の向きが一致する点を、前記旋回中心の周りを公転するときの公転基準点として設定する公転基準点設定手段と、車両の目標自転中心を設定する自転中心設定手段と、前記旋回半径設定手段で設定した目標旋回半径、前記公転基準点設定手段で設定した公転基準点、及び前記自転中心設定手段で設定した目標自転中心に応じて、車両の目標旋回挙動を設定する旋回挙動設定手段と、該旋回挙動設定手段で設定した目標旋回挙動に応じて前後輪の目標転舵角を算出する算出手段と、該算出手段で算出した目標転舵角に応じて前記駆動機構を駆動制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする旋回挙動制御装置。
2. 前記自転中心設定手段は、後輪車軸よりも後方に目標自転中心を設定することを特徴とする請求項１に記載の旋回挙動制御装置。
3. 前記自転中心設定手段は、運転席よりも後方に目標自転中心を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の旋回挙動制御装置。
4. 前記旋回挙動設定手段は、車両基準点から前記公転基準点までの距離を前記目標旋回半径で除した値に基づいて目標横すべり角を設定することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の旋回挙動制御装置。
5. 前記旋回挙動設定手段は、車両が前記目標旋回半径で旋回するときの公転によるヨーレートと、前記公転基準点及び前記目標自転中心の距離の変化率でなる自転によるヨーレートと、を加算して目標ヨーレートを設定することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の旋回挙動制御装置。
6. 旋回挙動制御装置を備えた自動車において、
   運転者によって操作されるステアリング操作子と、前後輪の夫々を転舵可能な転舵機構と、前記ステアリング操作子の操作量に応じて車両基準点から旋回中心までの目標旋回半径を設定する旋回半径設定手段と、前記旋回中心を通る車両左右方向の直線と車両前後方向の直線との交点でなる、車両進行方向と車両の向きが一致する点を、前記旋回中心の周りを公転するときの公転基準点として設定する公転基準点設定手段と、車両の目標自転中心を設定する自転中心設定手段と、前記旋回半径設定手段で設定した目標旋回半径、前記公転基準点設定手段で設定した公転基準点、及び前記自転中心設定手段で設定した目標自転中心に応じて、車両の目標旋回挙動を設定する旋回挙動設定手段と、該旋回挙動設定手段で設定した目標旋回挙動に応じて前後輪の目標転舵角を算出する算出手段と、該算出手段で算出した目標転舵角に応じて前記駆動機構を駆動制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする自動車。
7. 前後輪の夫々を転舵可能な転舵機構を備え、
   運転者のステアリング操作に応じて車両基準点から旋回中心までの目標旋回半径を設定し、
   前記旋回中心を通る車両左右方向の直線と車両前後方向の直線との交点でなる、車両進行方向と車両の向きが一致する点を、前記旋回中心の周りを公転するときの公転基準点として設定し、
   車両の目標自転中心を設定し、
   前記目標旋回半径、前記公転基準点、及び前記目標自転中心に応じて、車両の目標旋回挙動を設定し、
   前記目標旋回挙動に応じて前後輪の目標転舵角を算出し、
   前記目標転舵角に応じて前記駆動機構を駆動制御することを特徴とする旋回挙動制御方法。

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