JP7319832B2 - ステアリング装置 - Google Patents
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Description
また、特許文献2には、車両の姿勢状態、及び、ドライバの首の角度に関する人間頭部状態を検出し、ドライバの首の角度の変化量を抑制するように車両の駆動力を制御することが記載されている。
また、特許文献3には、乗員の加速要求に応じて車両に生じる前後加速度の変化に対応して、シートバック又はヘッドレストをアクチュエータにより駆動し、乗員の頭部の共振を抑制することが記載されている。
特に、ドライバの操作によらず車両側の制御により自動的に操舵動作を行う場合には、ドライバの意図しない操舵動作により乗員の頭部が共振し得る車体振動が発生する場合があり、乗員に不快感等を与える原因となり得る。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、車両の操舵に起因する乗員の頭部の振動を抑制したステアリング装置を提供することである。
請求項1に係る発明は、車両の操向輪を転舵する出力を発生するアクチュエータと、操舵入力に応じて前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部とを備えるステアリング装置であって、前記操舵入力から所定の周波数帯域の成分を低減又はカットするフィルタ処理を行うフィルタ処理部を備え、前記アクチュエータ制御部は、前記フィルタ処理後の前記操舵入力に応じて前記アクチュエータを制御し、前記車両の乗員の頭部の挙動を検出する頭部挙動検出部と、前記頭部挙動検出部の出力を用いて前記頭部の振動周波数を検出する周波数検出部とを備え、前記フィルタ処理部は、前記頭部の振動周波数を含む周波数帯域の成分を低減又はカットすることを特徴とするステアリング装置である。
これによれば、操向輪を転舵するアクチュエータの制御波形から、乗員の頭部が共振し得る周波数成分を低減又は取り除くことにより、乗員の頭部の動きを抑制し、乗員が乗り心地の悪さを感じたり、乗り物酔いが生じることを防止できる。
これによれば、乗員が一般的な体格を有する成人である場合に頭部が共振し得る周波数帯域を低減又はカットすることにより、上述した効果を確実に得ることができる。
これによれば、乗員が操舵操作に介入しない自動運転時に、乗員が意図しない操舵により頭部の共振が発生し、不快感を感じたり乗り物酔いとなることを防止できる。
実施形態のステアリング装置1は、例えば乗用車等の自動車に設けられ、操舵輪である前輪を操向するものである。
図1は、実施形態のステアリング装置の構成を模式的に示すブロック図である。
また、ステアリング制御ユニット80には、乗員挙動検出ユニット90、自動運転制御ユニット100が接続されている。
ステアリングホイール10は、車両の車室内において、運転席と対向して配置されている。
ステアリングホイール10には、ステアリングシャフト11、舵角センサ12、トルクセンサ13が設けられている。
舵角センサ12は、ステアリングシャフト11の中間部に設けられ、ステアリングシャフト11の回転角度位置を検出する操舵操作量検出部である。
トルクセンサ13は、ステアリングシャフト11の中間部であって、舵角センサ12に対して反力発生装置20側の領域に設けられ、ステアリングシャフト11に負荷されるトルク(ドライバによるステアリングホイール11の操作力又は保持力)を検出するものである。
舵角センサ12、トルクセンサ13の出力は、ステアリング制御ユニット80に伝達される。
反力発生装置20の出力軸部は、ステアリングシャフト11のステアリングホイール10側とは反対側の端部に接続されている。
ラック軸30は、車体に対して車幅方向に並進可能に支持されている。
ラック軸30の一部には、ピニオンシャフト73のピニオンギアと噛合うラックギア31が形成されている。
ラック軸30は、ステアリングシャフト20の回転に応じて、ピニオンギアによってラックギア31が駆動され、車幅方向に沿って並進(直進)する。
ラックハウジング40は、ラック軸30、ピニオンシャフト73等と協働して、ステアリングギアボックスを構成する。
ラックハウジング40の両端部には、ラックブーツ41が設けられている。
ラックブーツ41は、ラックハウジング40に対するタイロッド50の相対変位を許容しつつ、ラックハウジング40内へのダスト等の異物の侵入を防止する部材である。
ラックブーツ41は、例えばエラストマー等の樹脂系材料によって、可撓性を有する蛇腹筒状に形成されている。
タイロッド50の車幅方向内側の端部は、ボールジョイント51を介して、タイロッド30の端部に揺動可能に連結されている。
タイロッド50の車幅方向外側の端部は、ボールジョイント52を介して、ナックル60のナックルアーム61に連結されている。
タイロッド50とボールジョイント52との接続部には、トーイン調整用のターンバックル機構が設けられる。
ナックル60は、車軸に対して前方側に突き出して形成されたナックルアーム61を有する。
ナックル60は、所定の回転中心軸であるキングピン軸回りに回動可能に支持されている。
キングピン軸は、例えば、車両のフロントサスペンションがマクファーソン式ストラット式である場合には、ストラットトップマウントのベアリング中心と、ナックル60下部とロワアームとを接続するボールジョイントの中心とを結んだ仮想軸である。
ナックル60は、タイロッド50を介してラック軸30により車幅方向に押し引きされることにより、キングピン軸回りに回動し、車輪Wを転舵させる。
アクチュエータユニット70は、モータ71、ギアボックス72、ピニオンシャフト73等を有して構成されている。
モータ71は、ピニオンシャフト73に与えられる駆動力を発生する電動アクチュエータである。
モータ71は、回転方向及び出力トルクが、ステアリング制御ユニット80のモータ駆動部82によって制御されている。
モータ71は、出力軸角度位置(回転角)を検出する図示しないポジションセンサを有する。検出された出力軸角度位置は、ステアリング制御ユニット80にフィードバックされる。
モータ71は、車両の実舵角が、ステアリング制御ユニット80が設定する目標舵角と一致するよう制御される。
ギアボックス72は、モータ71の回転出力を減速(トルク増幅)してピニオンシャフト73に伝達する減速ギア列を備えている。
ピニオンシャフト73は、ギアボックス72を介してモータ71により回転駆動される回転軸である。
ピニオンシャフト73の先端部には、ラック軸30のラックギア31と噛み合ってラック軸30を駆動するピニオンギアが形成されている。
ステアリング制御ユニット80は、例えば、CPU等の情報処理部、RAMやROM等の記憶部、入出力インターフェイス、及び、これらを接続するバス等を有して構成されている。
ステアリング制御ユニット80は、本発明のアクチュエータ制御部として機能する。
ステアリング制御ユニット80は、車両が自動運転制御ユニット100の制御により自動的に走行する自動運転時においては、自動運転制御ユニット100が設定する操舵制御スケジュール(操舵入力波形)に応じて、モータ71を駆動し、車両の舵角を制御する。
また、ステアリング制御ユニット80は、車両がドライバの運転操作に応じて走行する手動運転時においては、舵角センサ12及びトルクセンサ13の出力を操舵入力とし、これに基づいて車両の舵角を制御する。
フィルタ処理部81は、操舵入力波形から所定の周波数帯域の成分をカットするフィルタ処理を行うものである。このフィルタ処理に関しては、後に詳しく説明する。
モータ駆動部82は、フィルタ処理部81によるフィルタ処理後の操舵入力波形に基づいて、モータ71に駆動信号を与えてモータ71を駆動させるものである。
乗員挙動検出ユニット90は、カメラ91によって乗員を撮像した画像データに基づいて、少なくとも頭部の動きを含む乗員の挙動を検出するものである。
カメラ91は、例えば、車両の車室内のインストルメントパネルに内蔵された単眼カメラあるいはステレオカメラである。
乗員挙動検出ユニット90は、画像処理により、乗員の頭部のヨー方向、ロール方向の振動の有無、及び、振動している場合にはその周波数を検出する機能を備えている。
乗員挙動検出ユニット90は、本発明にいう頭部挙動検出部、及び、周波数検出部として機能する。
自動運転制御ユニット100は、自動運転シナリオに応じて例えばエンジン制御ユニット、トランスミッション制御ユニットや、液圧式ブレーキの制動力を制御するハイドロリックユニット等を制御して、車両の走行速度、前後方向の加減速度等を制御する。
また、自動運転制御ユニット100は、自車両が目標走行軌跡をトレースするように操舵制御スケジュールを生成し、ステアリング制御ユニット80に伝達する。
自動運転制御ユニット100は、本発明にいう目標経路設定部、及び、操舵入力設定部として機能する。
環境認識ユニット110の認識結果は、自動運転制御ユニット100に伝達される。
図2は、実施形態のステアリング装置における制御を示すフローチャートである。
以下、ステップ毎に順を追って説明する。
<ステップS01:頭部動き計測>
乗員挙動検出ユニット90は、カメラ91の撮像画像に基づいて、乗員(例えばドライバ)の頭部の動きを計測する。
その後、ステップS02に進む。
乗員挙動検出ユニット90は、ステップS01において計測した乗員の頭部の動きにおいて、所定以上の振幅を有する頭部のヨー方向又はロール方向の振動があるか否かを判別する。
所定以上の振幅の振動がある場合はステップS03に進み、その他の場合はステップS01に戻って以降の処理を繰り返す。
乗員挙動検出ユニット90は、ステップS01において計測した乗員の頭部のヨー方向、ロール方向の動きを、例えば公知のFFTアナライザを用いて周波数分析(周波数領域に変換)する。
その後、ステップS04に進む。
環境認識ユニット110は、自車両前方の道路形状、障害物などを認識する環境認識を行う。
その後、ステップS05に進む。
自動運転制御ユニット100は、車両の現在の走行速度(車速)及び舵角を検出する。
車速は、例えば車輪の回転速度に比例する周波数の車速信号を出力する図示しない車速センサの出力信号に基づいて検出することができる。
舵角は、例えば、モータ71のポジションセンサの出力信号に基づいて算出される舵角を、ステアリング制御ユニット80から取得することができる。
その後、ステップS06に進む。
自動運転制御ユニット100は、ステップS04において認識した自車両前方の環境、及び、ステップS05において取得した車速、舵角等の各種情報に基づいて、自車両の目標経路(目標走行軌跡)を設定する。
その後、ステップS07に進む。
自動運転制御ユニット100は、ステップS06において設定した目標経路を自車両がトレースするための操舵入力波形(操舵制御スケジュール)を算出し、ステアリング制御ユニット80に伝達する。
その後、ステップS08に進む。
ステアリング制御ユニット80は、フィルタ処理部81を用いて、自動運転制御ユニット100から伝達された操舵入力波形に対して、所定の周波数帯域をカットするフィルタ処理を行う。
図3は、実施形態のステアリング装置におけるフィルタ処理部のフィルタのカットオフ周波数特性を模式的に示す図である。
図3に示すように、フィルタ処理部81は、所定の周波数帯域の成分を非常に低いレベルに減衰させるバンドエリミネーションフィルタ(バンドストップフィルタ・帯域除去フィルタ)として構成されている。
乗員の頭部のヨー方向、ロール方向の振動周波数は、例えば1乃至5Hz程度であり、一般的な体格の成人である場合には例えば3Hz前後となることが多い。
ここで、ヨー方向、ロール方向の振動周波数が異なる場合には、個々の振動周波数が包含されるようフィルタ定数を設定する。
フィルタ処理の終了後、ステップS09に進む。
モータ駆動部82は、ステップS08において生成されたフィルタ処理後の操舵入力波形に応じて、モータ71に駆動指示(制御波形)を与え、モータ71によるラック軸30の駆動(操舵動作)を行わせる。
その後、一連の処理を終了(リターン)する。
図4において、上段はフィルタ未処理操舵波形(自動運転制御ユニット100がステアリング制御ユニット80に伝達する操舵入力波形)を示し、下段はフィルタ処理後の操舵波形(フィルタ処理部81から出力される操舵入力波形)を示している。
各図は、一例として、離散的に配列された左右の曲線路を有する同一の周回路を周回走行する際の操舵波形を示し、各図の横軸は時間を示し、縦軸は操舵角を示している。
図4に示すように、例えば3Hz近傍の周波数帯域を阻止するフィルタ処理を行った場合でも、フィルタ処理前後で大きな操舵波形の差はなく、車両の走行ライン等に生じる影響は無視し得る程度である。
また、仮にフィルタ処理により車両の走行ラインに影響が発生した場合であっても、目標走行軌跡に対する自車両の実際の軌跡のずれに応じて、自動運転制御ユニット100が目標走行軌跡及びこれに基づく操舵制御スケジュールを適宜更新することにより、車両の走行自体に問題が発生することはない。
図5において、上段、下段は、それぞれ図4の上段、下段の操舵波形にFFT処理を行い、周波数領域に変換したものである。
図5の各図において、横軸は周波数を示し、縦軸は振幅レベルを示している。
図5の上段、下段を比較すると明らかであるように、フィルタ処理により、乗員の頭部の共振が生じ得る周波数帯域である3Hz付近の領域が低減されていることがわかる。
この場合、舵角センサ12及びトルクセンサ13の出力に基づいてステアリング制御ユニット80が設定する操舵入力波形に対してフィルタ処理を行い、フィルタ処理後の操舵入力波形に基づいてモータ71を制御する構成とすることができる。
(1)操向輪である車輪Wを転舵するモータ71の制御波形から、乗員の頭部が共振し得る周波数成分を低減又は取り除くことにより、乗員の頭部の動きを抑制し、乗員が乗り心地の悪さを感じたり、乗り物酔いが生じることを防止できる。
(2)乗員挙動検出ユニット90がカメラ91の撮像画像を用い乗員の頭部の振動周波数を検出した結果に基づいて、フィルタ処理部81におけるフィルタの設定を行うことにより、上述した効果を確実に得ることができる。
(3)フィルタ処理部81によって1乃至5Hz、特に3Hz近傍の周波数帯域を阻止することにより、乗員が一般的な体格を有する成人である場合に頭部が共振し得る周波数帯域を低減又はカットすることができ、上述した効果を確実に得ることができる。
(4)自動運転制御ユニット100が生成する操舵入力波形に対してフィルタ処理を行ってモータ71を制御することにより、乗員が操舵操作に介入しない自動運転時に、乗員が意図しない操舵により頭部の共振が発生し、不快感を感じたり乗り物酔いとなることを防止できる。
本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
(1)ステアリング装置、サスペンション装置、車両等の構成は、上述した実施形態に限定されず、適宜変更することが可能である。
例えば、サスペンション形式や、キングピンに対するタイロッドの前後配置(いわゆる前引き、後引き)などは、適宜変更することができる。
また、モータの配置や、ラック軸に動力を伝達する機構の構成なども特に限定されない。
(2)実施形態において、ステアリング装置は、一例としてステアリングホイールとラック軸とが機械的に連動していないステア・バイ・ワイヤ式のものであるが、本発明は、ステアリングシャフトを介してステアリングホイールがステアリングギアボックスに機械的に接続された既存の(非ステア・バイ・ワイヤ式の)ステアリング装置にも適用することができる。
この場合であっても、アシスト力を発生するアクチュエータの出力から所定の周波数帯域の成分をカット又は抑制することにより、乗員の頭部の動きを抑制することができる。
(3)実施形態においては、乗員挙動検出ユニットにより乗員の頭部の動きを検出してフィルタ処理部のフィルタ定数を設定しているが、乗員の頭部の共振が発生し得る周波数帯域が既知である場合には、予め設定した周波数帯域をフィルタ処理により低減又はカットする構成としてもよい。
(4)実施形態においては、カメラによる撮像画像を画像処理して乗員の頭部の動きを検出しているが、乗員の頭部の動きを検出する手法はこれに限らず、適宜変更することができる。
11 ステアリングシャフト 12 舵角センサ
13 トルクセンサ 20 反力発生装置
30 ラック軸 31 ラックギア
40 ラックハウジング 41 ラックブーツ
50 タイロッド 51 ボールジョイント
52 ボールジョイント
60 ナックル 61 ナックルアーム
70 アクチュエータユニット 71 モータ
72 ギアボックス 73 ピニオンシャフト
80 ステアリング制御ユニット 81 フィルタ処理部
82 モータ駆動部
90 乗員挙動検出ユニット 91 カメラ
100 自動運転制御ユニット 110 環境認識ユニット
W 車輪
Claims (3)
- 車両の操向輪を転舵する出力を発生するアクチュエータと、
操舵入力に応じて前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部と
を備えるステアリング装置であって、
前記操舵入力から所定の周波数帯域の成分を低減又はカットするフィルタ処理を行うフィルタ処理部を備え、
前記アクチュエータ制御部は、前記フィルタ処理後の前記操舵入力に応じて前記アクチュエータを制御し、
前記車両の乗員の頭部の挙動を検出する頭部挙動検出部と、
前記頭部挙動検出部の出力を用いて前記頭部の振動周波数を検出する周波数検出部とを備え、
前記フィルタ処理部は、前記頭部の振動周波数を含む周波数帯域の成分を低減又はカットすること
を特徴とするステアリング装置。 - 前記周波数帯域の少なくとも一部は1乃至5Hzの範囲内に設定されること
を特徴とする請求項1に記載のステアリング装置。 - 自車両前方の環境を認識する環境認識部と、
前記環境認識部の認識結果に基づいて目標経路を設定する目標経路設定部と、
自車両が前記目標経路をトレースするよう前記操舵入力を設定する操舵入力設定部と
を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のステアリング装置。
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