JP2005075288A - 車輌用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 操行車輪とハンドル角との転舵比を車速に応じて変化することができる車両においては、旋回中に加減速を行うと転舵比が変化するので、ハンドルを一定にしていても車両の進行経路が予測する方向からずれるオーバーステア又はアンダーステア傾向がでるため運転者に違和感を与えてしまう。
【解決手段】 車速が変化するとき、車速の大きさに応じて転舵比を変化させるが、この時、車速１０と前後加速度１１とハンドル角２０１から演算した時定数にもとづいて、転舵比の変化する速度を制御するための基本時定数設定手段８０３を設ける。旋回時に加減速を行った場合、ハンドル角２０１が大きいほど時定数を長くして、旋回時のオーバーステア・アンダーステアを抑制し違和感を無くす。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両の操舵装置に関し、ハンドルの操作に基づいて操向輪を転舵させる車両用操舵装置に関する。

従来、自動車等、ハンドル操作により操向車輪の向きを変えて走行方向を制御する車両に用いられる操舵装置には、車速に応じて転舵比を変えることができるもの（可変転舵比装置）が知られている。このような可変転舵比装置では、一般には車速が大きくなると転舵比を小さく、車速が低くなると転舵比を大きくする。即ち、車庫入れ操作などでは小さなハンドル操作で方向が大きく変わり、高速操向時にはハンドルを多き切っても方向は少ししか変わらず安全性と、操作性が向上する。しかし、ハンドルを切った状態で急加速したとき、転舵比を車速に応じて即時に変化させると、加速につれて転舵比が小さくなるため、操向輪の切れ角が小さくなり、運転者にアンダーステア感を与え、また、減速中は、車速の低下に伴って、転舵比が大きくなるため、操向輪角の切れ角が大きくなり、オーバーステア感を運転者に与え、違和感や、不安感を与えてしまう。

この問題点を解決するために、特許文献１では、車速に応じた基本転舵比を決定すると共に、加減速中における切り込み操舵の場合と戻し操舵の場合でそれぞれ個別に補正量を決定し、基本転舵比と補正量から転舵比可変手段の転舵比を設定している。
また、特許文献２では、加減速度の大きさと、ハンドル角の大きさにより、転舵比更新許可領域と、転舵比更新禁止或いは、抑制領域を判断して、転舵比を設定している。

転舵比の変化が車両の進行経路に与える影響（一定時間走行したときの、転舵比が変化しない場合の経路と、変化した場合の経路の差）は、ハンドル角を一定に保ったと仮定すると、加速中は一定時間中の走行距離が長くなっていくから、車速が高くなるほど顕著に現れる。運転者は、一定時間の間（注視時間と呼ばれ、１〜２秒と言われている。）走行した後の経路を予測してハンドルを操舵しているとみなされており、この事を考慮すると、運転者の予測経路からのずれを少なくするためには、車速が速くなる程加減速に伴う転舵比の変化の速さをより小さくすると共に、一定時間中の走行距離が長くなっていく加速中の転舵比変化は、一定時間中の走行距離が短くなっていく減速中の転舵比変化よりもより多く抑制するなど、少なくとも加速と減速との区別が必要である。
特開平１１−３３４６２７号公報 特開２００２−２９４４５

しかしながら、特許文献１、特許文献２のいずれも、転舵比変化の抑制を、その時の車速の大きさ、あるいは加速中と減速中との区別をせず、加減速度の絶対値を用いて判断しているので、運転条件によっては、運転中、運転者が違和感を感じやすいいう課題があった。

本発明の目的は上述の課題を解決し、操舵中に加減速を行ったばあいにおいても、運転者に違和感を与えることのない車両用操舵装置を提供することである。

この発明の車両用操舵装置は、 車両の操向輪の方向を制御するハンドルの操作角度を検出してハンドル角信号を出力するハンドル角検出手段、
前記車両の速度を検出して車速信号を出力する車速検出手段、
前記車両の加減速度を検出して加減速度信号を出力する加減速度検出手段、
前記ハンドルの角度に対する前記操向輪の角度の関係である転舵比を、前記車速信号を助変数として予め記憶するとともに、前記車速信号に基づいて前記転舵比から基本転舵比信号を出力する転舵比設定手段、
他からの信号によりフィルタ時定数を制御可能に構成されたローパスフィルタを有し、入力された前記基本転舵比信号を前記ローパスフィルタにより遅延して出力する転舵比フィルタ処理手段、
前記ハンドル角信号と、前記車速信号と、前記加減速度信号とにもとづき、前記フィルタ時定数を制御する基本時定数設定手段、
前記転舵比信号により前記車両の走行中に前記転舵比を変化させる転舵比可変手段を備えたものである。

本発明の車両用操舵装置によれば、車速信号と加減速度信号とハンドル角信号をもとに、転舵比の変化速度を制御するフィルタの時定数を変化させて、運転者の予測経路と、車両の実経路の差が少なくなるように制御しているので、操向操作の途中に車速が急変した場合に於いても運転者に違和感を与えることなく好適な操舵特性を維持することができる。

実施の形態1．
本発明の実施の形態１の車両用操舵装置の構成を図１に示す。図１において、図示しない運転者はハンドル１により操舵する。ハンドル１の操作角はハンドル角検出手段２により検出されハンドル角信号として出力される。
車速信号１０は図示しない車速検出手段により検出されている。
加減速度信号１１は図示しない加減速度検出手段により検出されている。
操向輪７ａ，７ｂはラックアンドピニオン方式の操向輪転舵機構５により、ナックルアーム６ａ，６ｂを介して車輪の方向が制御される。ラックアンドピニオン方式の操舵機構５はラックアンドピニオン機構５０１を有する。ラックアンドピニオン機構５０１は操向輪転舵機構５を駆動する操舵機構駆動手段３により駆動される。操舵機構駆動手段３は電気モータ３０１と、操向輪転舵機構５のウオームギア５０２と噛み合うウオームホイール３０２より構成される。
また、操向輪７ａ，７ｂの操向輪角を検出するための操向輪角検出手段４が取付けられている。ハンドル角検出手段２のハンドル角信号２０１は目標操向輪角生成手段８に入力される。目標操向輪角生成手段８はハンドル角検出手段２の出力したハンドル角信号２０１と、車速信号１０と、加減速度信号１１とから必要な操向輪角を計算し目標操向輪角信号８０１を生成する（詳細後述）。目標操向輪角信号８０１は操向輪角制御手段９に入力される。操向輪角制御手段９は目標操向輪角信号８０１と操向輪角検出手段４の出力信号４０１が等しくなるよう、電気モータ３０１を駆動して操向輪７ａ，７ｂの操向輪角を制御するものである。
以上説明したように、基本的には、運転者が操作するハンドル１の角度に基づいて操向輪７ａ，７ｂの角度が制御されるが、その際、車速信号１０、加減速度信号１１など（車両状態信号という）により適切な操向輪角を計算して、操向輪角を制御している。

図２は、図１の目標操向輪角生成手段８の詳細構成と動作を説明するための構成図（ブロック図）である。図において入力された車速信号１０にもとづき転舵比設定手段８０２が転舵比を演算する。転舵比は車種により異なるが、基本的な特性（基本転舵比という）は図３に示すように車速の増加に伴い基本転舵比が減少して、ハンドル回転に対する応答が車速の増加とともに徐々にスローとなり、車速の減速に伴い徐々にクイックとなる。
一般的に市街地走行時においては、交差点等の角を曲がる時などに、車速がやや低く、操向輪７ａ，７ｂの操向輪角を大きく変化させる運転操作が多い。
車庫入れの場合は、車速が小さく、操向輪７ａ，７ｂを短時間で最大舵角まで動かすような運転操作を行う。
一方、高速道路走行時等、高速度領域では、直進方向近傍での微少な修正操舵と呼ばれる運転操作が多い。
従って、図３に示すような基本転舵比の特性により、低速では転舵比を大きくすることによって、少ないハンドル操作で運転が可能となり、高速では、転舵比を小さくすることによって、大きいハンドル操作で微少な修正操舵ができ、操作が容易となる。
転舵比フィルタ手段８０５は、転舵比設定手段８０２の出力が入力されるとき、後述する時定数設定手段８０４の出力時定数に応じて、転舵比信号遅延させて出力する。
転舵比フィルタ手段８０５の出力である転舵比信号と、ハンドル角信号２０１は乗算機８１０により乗算され、目標操向輪角８０１として出力される。

一方、車速信号１０、加減速度信号１１、ハンドル角検出手段２のハンドル角信号２０１に基づいて、基本時定数設定手段８０３が基本時定数を決定し、時定数設定手段８０４へ入力する。実施の形態２では更に詳細な説明をするが、本実施の形態１では説明の都合上、時定数設定手段８０４は入力された基本時定数をそのまま出力するものと理解してもよい。
転舵比フィルタ手段８０５は、時定数設定手段８０４の出力に応じて時定数を変化させることのできるローパスフィルタ（図示しない）を有している。転舵比設定手段８０２の出力が入力されるとき、時定数設定手段８０４の出力時定数に応じて転舵比設定手段８０２からの入力値を遅延させてから転舵比信号として出力する。
転舵比フィルタ手段８０５の出力である転舵比信号とハンドル角検出手段の出力２０１は乗算機８１０により乗算され、目標操向輪角８０１として出力される。

動作について更に詳しく説明する。図４は、ハンドル角を直進でない状態で一定とし、車両を減速した場合、図３に示すような、車速によって一意に決定される転舵比に基づいて転舵比が変化した場合の車両の走行経路４０１を、比較説明のため、転舵比を一定とした場合の走行経路４０２と比較した図である。また図５は同じく加速した場合の図で、転舵比が変化した場合の車両の走行経路５０１、転舵比を一定とした場合の走行経路を５０２としている。
図４に示すように、減速時には、転舵比がスローからクイックの方向へ変化するため、車速が低下するに従って転舵比が大きくなる。即ち、転舵比が大きくなることで、ハンドルを一定角に保持していたとしても、操向輪の切れ角が転舵比の変化に伴って増大する。従って図に示したように内側に車両が切れ込んでいくような感覚（オーバーステア感）を運転者に与えることになる。
一方、加速時には、転舵比がスロー側に変化するため、図５に示すように減速時とは逆の現象、即ち操向輪の切れ角が車速の上昇に伴って減少し、車両が外側へはみ出していく様な感覚（アンダーステア感）を運転者に与えることになる。

図６は、図５と同じようにハンドル角を一定に保ちつつ、車両を加速した場合について、転舵比信号をこの発明の転舵比フィルタ手段８０５にて遅らせたときの車両の走行経路を、図３に示すような車速によって一意に決定される転舵比に基づいて変化させた場合と比較するため、転舵比フィルタ手段８０５の時定数をパラメータにして数通り示した図である。
図６の特性線５０２は図５の５０２と同じものである。図６の特性線６０１に示したように、フィルタ時定数を長くすると、転舵比信号の変化速度が転舵比フィルタ手段８０５により抑えられるので、結果として、転舵比を変化させない場合の車両の経路５０１に近づくことが分かる。

次に、転舵比フィルタ手段８０５の時定数の決め方について説明する。一般に、運転者のハンドル操作は、前述したように一定時間（注視時間 １〜２秒後）の走行後の経路を予測して行なっていると考えられている。従って、車速だけで転舵比を決定したのでは、旋回時に加速あるいは減速を行うと、図４、図５に示したように、車両の走行経路が運転者の予測経路から大きくはずれてしまう。即ち、転舵比を変化させない場合の一定時間後の経路と、転舵比を変化させた場合の一定時間後の経路とにずれが生じるため、従来の車両（転舵比が一定の車両）に比べ大きく違和感を感じるわけである。
このずれ量は、一定時間中の走行距離が長い場合、即ち車速が早いほど、あるいはハンドル角が大きいほど顕著に現れる。

そこで、まず、車両のハンドル角信号２０１及び車速信号１０と加速度信号１１とから基本時定数設定手段８０３にて基本時定数を算出する。図７は、基本時定数設定手段８０３が時定数マップにより基本時定数を設定する一例を示した。また図８は図７の理解を助けるため、同じ図を斜視図として表したものである。
図７（a）は車速がＶ１のときの加速度変化（横軸）に対する時定数の変化（縦軸）を、ハンドル角をパラメータとして示したものである。
図７（b）は車速がＶ２のときの加速度変化に対する時定数の変化を、ハンドル角をパラメータとして示したものである。
ここで（ａ）図の車速Ｖ１よりも（b）図の車速Ｖ２の方が車速が高い。
また、図７（ｃ）図は車速がＶ１からＶ２に至る間における、加速度がαの時のフィルタ時定数の変化をハンドル角をパラメータとし示したものである（図（ｃ）は図（ａ）と（ｂ）の加速度αにおける断面でもある）。
図７、図８の特性を説明すると、フィルタ時定数は、車速が大きくなるほど長く、また、加速度の絶対値が大きくなるほど長く、また、ハンドル角が大きくなるほど長くなるように設定されている。
ハンドル角が大きいほど転舵比の変化に対する車両の経路変化が大きくなるので時定数を大きくしておく必要がある。また、加速度が小さいほど、一定時間内の速度変化が小さい、即ち、基本転舵比の変化が小さいので、時定数も短くてよい。

また、加速の場合と、減速の場合を比較すると、加速の場合は、一定時間中の走行距離が長くなるので、加速度の絶対値が同じ減速の場合と比較して、転舵比変化の影響が大きくなるので、加速中の時定数は、減速中に比べて大きく設定している。図７（c）は、一定加速度における、車速に対する時定数の大きさを示したものである。図に示したように、車速が大きいほど、一定時間中の走行距離が長くなるので時定数も長く設定されている。これらの時定数は、例えば、一定時間を２秒として、転舵比可変手段を備えた車両の２秒後の軌跡が、従来の車両（転舵比可変手段を装備しない車両）の軌跡とほぼ同等（約50cm以下のずれ）となるように、車速・前後加速度・ハンドル角をパラメータとして求めると良い。

図８は、加速したときの、車速・加速度・時定数・転舵比の時系列変化の例を示したものである。加速度が大きくなることにより、基本時定数設定手段８０３の出力時定数は長い方へ変化する。一方、転舵比設定手段８０２の出力転舵比は、車速の上昇に伴って、スロー側へ変化する。この変化は、転舵比フィルタ手段により設定された時定数に基づいて、遅れて出力され、運転者は違和感を感じることはない。

実施の形態２．
次に、図９により加速終了時の状態を考える。加速度の絶対値が減少するときには、図７に示したように、基本時定数設定手段８０３の出力時定数は小さくなるため、図９（a）の線に示したように、加速度の減少に伴って、時定数も短くなる。この時定数を、転舵比フィルタ手段８０５の時定数として設定すると、加速の終了と共に、時定数が短くなるため、図９（d）に示す線のように、長い時定数のために変化が遅れていた転舵比が、短い時定数になることによって、急激に基本転舵比設定手段８０２の出力に変化してしまう。

このような転舵比の急激な変化は、走行車輪の操舵角を急激に変化させるため、運転者に強い違和感を与えてしまう。このような違和感を軽減するために図２に示す時定数設定手段８０４は、基本時定数設定手段８０３の出力時定数が、長い時定数から短い時定数へと変化しつつある場合、予め定めた所定の時定数（前記短い時定数よりは長めに設定した）を持つ図示しない第２のフィルタで処理を行うことにより、図９（b）の線のように、時定数の変化を遅くする動作を行う。
なお、時定数設定手段８０４は、基本時定数設定手段８０３の出力時定数が、短い時定数から長い時定数へと変化しつつある場合は、入力された時定数をそのまま出力し遅らせることはしない。
このように、時定数が短くなる方向へと変化する場合だけ、その変化をゆっくりにすることにより、図９（e）に示すように、転舵比の急激な変化を抑えることできる。

なお、実施の形態１では、機構構成を図１に示しものとして説明したが、この構成に限定するものではなく、ハンドルと操向輪との間の転舵比が、設定できる車両用操舵装置であれば、どのような機構であっても良い。
また、転舵比フィルタ手段は、基本転舵比設定手段の出力転舵比を入力することにより、転舵比の変化を抑えるとして説明したが、実質的に転舵比の変化を抑えるよう、例えば、基本転舵比設定手段の入力車速の変化を抑えるような構成としても良い。
また、車速と加速度を独立して入力する構成として説明したが、車速を微分することにより、加減速度を算出して適応しても良い。また、ハンドル角と操向車輪角との関係を線形として説明したが、線形である必要はなく、予め車速により設定されているハンドル角と操向輪角との関係を転舵比を用いて切り替えるような場合に於いても適応できる。

実施の形態１に係る車両用操舵装置の全体概略図である。 図１の車両用操舵装置の目標操向輪角生成手段の構成を示すブロック図である。 基本転舵比について説明するための特性説明図である。 減速時の転舵比を固定とした場合と、車速により一意に転舵比を可変した場合の車両の経路差を説明する説明図である。 加速時の転舵比を固定とした場合と、車速により一意に転舵比を可変した場合の車両の経路差を説明する説明図である。 加減速時の転舵比固定の場合と、車速により一意に転舵比を可変し、フィルタ処理した場合の車両の経路差を説明した図である。 基本時定数設定手段の時定数設定方法を説明する図である。 図１の動作を説明する図である。 実施の形態２の目標操向輪角生成手段の構成図である。

符号の説明

１ ハンドル、 ２ ハンドル角検出手段、 ３ 操舵機構駆動手段、
４ 操向輪角検出手段、 ５ 操向輪転舵機構、 ６ａ，６ｂ ナックルアーム、
７ａ，７ｂ 操向輪、 8 目標操向輪角生成手段、 9 操向輪角制御手段、
１０ 車速信号、 １１ 加減速度信号、 ２０１ ハンドル角信号、
３０１ 電気モータ、 ３０２ ウオームホイール、 ４０１ 操向輪角信号、
５０１ ラックアンドピニオン機構、 ５０２ ウオームギア、
８０１ 目標操向輪角信号、 ８０４ａ 時定数減少制限手段。

Claims (4)

1. 車両の操向輪の方向を制御するハンドルの操作角度を検出してハンドル角信号を出力するハンドル角検出手段、
   前記車両の速度を検出して車速信号を出力する車速検出手段、
   前記車両の加減速度を検出して加減速度信号を出力する加減速度検出手段、
   前記ハンドルの角度に対する前記操向輪の角度の関係である転舵比を、前記車速信号を助変数として予め記憶するとともに、前記車速信号に基づいて前記転舵比から基本転舵比信号を出力する転舵比設定手段、
   他からの信号によりフィルタ時定数を制御可能に構成されたローパスフィルタを有し、入力された前記基本転舵比信号を前記ローパスフィルタにより遅延して出力する転舵比フィルタ手段、
   前記ハンドル角信号と、前記車速信号と、前記加減速度信号とにもとづき、前記フィルタ時定数を制御する基本時定数設定手段、
   前記転舵比信号により前記車両の走行中に前記転舵比を変化させる転舵比可変手段を備えたことを特徴とする車両用操舵装置。
2. 前記基本時定数設定手段は、前記フィルタ時定数を、前記車速信号が大きくなるほど長く、また、前記加減速度信号の絶対値が大きくなるほど長く、また、前記ハンドル角が大きくなるほど長くなるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。
3. 前記フィルタ時定数は加速度の絶対値がおなじである場合に、加速時のフィルタ時定数は減速時のフィルタ時定数より大きく設定されていることを特徴とする請求項２に記載の車両用操舵装置。
4. 前記フィルタ時定数が長くなる方向へと変化しつつある場合は前記フィルタ時定数をそのまま出力し、前記フィルタ時定数が短くなる方向へと変化しつつある場合は前記基本フィルタ時定数を予め定めた所定の時定数よりも早くは短くさせない時定数減少制限手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。

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