車両用操舵装置
【課題】ドライバの操舵遅れを効果的に補償するとともに舵角のオーバーシュートを防止した車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】車両用操舵装置１を、ドライバが操舵操作を入力する操舵入力部３０と、操舵入力部の操作量を検出する操作量検出手段９１と、操舵入力部の操作量の履歴に基づいて予測操作量を演算する予測操作量演算手段９０と、操作量検出手段が検出した操舵入力部の実際の操作量と、予測操作量演算手段が演算した前記予測操作量との比較結果に基づいて、操舵入力部の操作量に応じた基礎舵角に付加される付加舵角を演算する付加舵角演算手段９０と、基礎舵角及び前記付加舵角に応じて前輪を操向する操舵機構部５０、８０とを備える構成とする。
【解決手段】車両用操舵装置１を、ドライバが操舵操作を入力する操舵入力部３０と、操舵入力部の操作量を検出する操作量検出手段９１と、操舵入力部の操作量の履歴に基づいて予測操作量を演算する予測操作量演算手段９０と、操作量検出手段が検出した操舵入力部の実際の操作量と、予測操作量演算手段が演算した前記予測操作量との比較結果に基づいて、操舵入力部の操作量に応じた基礎舵角に付加される付加舵角を演算する付加舵角演算手段９０と、基礎舵角及び前記付加舵角に応じて前輪を操向する操舵機構部５０、８０とを備える構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の車両の前輪を操舵する操舵装置に関し、特に、操舵操作量に比例した基礎舵角に、ドライバの急操舵操作に応じた付加舵角を重畳させる操舵装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の操舵装置は、一般に、ステアリングホイールの回転運動を、ステアリングシャフトを介してステアリングギヤボックスに伝達し、ここで車幅方向の直進運動に変換して前輪を操向している。
近年、例えばステアリングシャフトの途中にアクチュエータを有する舵角補正機構を配置し、ステアリングホイールの操作量に対して舵角補正機構の作動角を重畳させて前輪の実舵角を制御する操舵装置が提案されている。このようなアクチュエータを備えた操舵装置は、例えば車両の走行速度に応じて見かけ上のステアリングギヤ比を変化させるステアリングギヤ比可変制御や、車両に不安定な挙動が生じた際に、自動的に舵角を修正して車両を復元させる制御等が可能となり、アクティブステアリングと通称されている。
【０００３】
上述した操舵装置において、ステアリングホイール操作量に応じた舵角に、ステアリングホイール操作量の微分値に比例した付加舵角を付加する、いわゆる微分ステアリング制御を行うこと知られている（例えば、非特許文献１参照）。このような微分ステアリング制御を行うと、ドライバの操舵操作の遅れを補償して車両ヨー運動の応答性を高めることができる。
また、アクティブステア制御を行う車両用操舵装置において、反力トルクの変動を抑制することを目的として、モータ駆動に基づく舵角の角速度、角加速度が所定値を超えないようにガードすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【非特許文献１】鈴村将人他著「フロントステア制御システムの開発」社団法人自動車技術会学術講演会前刷集Ｎｏ．３４−０３
【特許文献１】特開２００６−３３５２５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、微分ステアリング制御を行う場合、例えば障害物を緊急回避する場合のようにドライバの操舵速度が速い場合には、微分値に応じた付加舵角が過度に大きくなって、前輪実舵角がドライバの意図する目標舵角よりも大きく切り込まれるオーバーシュートが生じる場合があった。この場合、前輪は目標舵角以上に切り込まれた後に切り戻されることになり、ドライバが意図しない過剰なヨー運動を発生させ、ドライバに強い違和感を与えることになる。
これに対し、微分値に応じた付加舵角のゲインを下げることによってオーバーシュートの影響を低減することは可能であるが、この場合微分ステアリング制御によってドライバの操舵遅れを補償する効果も減殺されてしまう。
上述した問題に鑑み、本発明は、ドライバの操舵遅れを効果的に補償するとともに舵角のオーバーシュートを防止した車両用操舵装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、ドライバが操舵操作を入力する操舵入力部と、前記操舵入力部の操作量を検出する操作量検出手段と、前記操舵入力部の前記操作量の履歴に基づいて予測操作量を演算する予測操作量演算手段と、前記操作量検出手段が検出した前記操舵入力部の実際の操作量と、前記予測操作量演算手段が演算した前記予測操作量との比較結果に基づいて、前記操舵入力部の操作量に応じた基礎舵角に付加される付加舵角を演算する付加舵角演算手段と、前記基礎舵角及び前記付加舵角に応じて前輪を操向する操舵機構部とを備えることを特徴とする車両用操舵装置である。
ここで、予測操作量は典型的には滑らかなステアリング操作を前提とした最新の操作量であって、これは例えば過去の複数時点での操作量をサンプリングし、テイラー展開することによって求めることができる。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１に記載の車両用操舵装置において、前記操舵入力部の操作量の微分値を検出する微分値検出手段を備え、前記付加舵角演算手段は、前記実際の操作量と前記予測操作量との偏差の増大に応じて増加する微分ステアリング制御ゲインに前記微分値を乗算して前記付加舵角を求めることを特徴とする車両用操舵装置である。
請求項３の発明は、請求項１に記載の車両用操舵装置において、前記付加舵角演算手段は、前記実際の操作量と前記予測操作量との偏差に所定のゲインを乗算して前記付加舵角を求めることを特徴とする車両用制御装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）操舵入力部の操作量の履歴に基づいて演算した予測操作量と実際の操作量との比較結果に基づいて付加舵角を演算することによって、例えば危険回避時のように急なステアリング操作が行われた場合（予測操作量と実際の操作量との偏差が大きい場合）に、大きな付加舵角を与えることでドライバの操舵遅れを効果的に補償することができる。また、ステアリング操作の中期から後期にかけては偏差が小さくなることから、付加舵角が過大となって生じる実舵角のオーバーシュートを防止することができる。
（２）実際の操作量と予測操作量との偏差の増大に応じて微分ステアリング制御ゲインを増加させることによって、急なステアリング操作が開始されて偏差及び操舵速度が大きい場合に、これらの積に応じて付加舵角を大きくしてドライバの操舵遅れを確実に補償することができる。また、ステアリング操作が収束しつつあって偏差及び操舵速度が小さくなった場合に付加舵角を小さくしてオーバーシュートの防止を確実に行うことができる。
（３）実際の操作量と予測操作量との偏差に所定のゲインを乗算して付加舵角を求めることによって、操舵入力部の操作量を微分する必要がなくなり、演算負荷の軽減を図るとともに、微分処理の際に生じる波形の乱れ、信号の出力遅れ等の影響を排除することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、ドライバの操舵遅れを効果的に補償するとともに舵角のオーバーシュートを防止した車両用操舵装置を提供する課題を、操舵操作量の履歴を２次テイラー展開することによって滑らかなステアリング操作を前提とした予測操舵操作量を算出し、この予測操舵操作量と実際の操舵操作量との偏差に応じて微分ステアリング制御のゲインを設定することによって解決した。
また、本発明の他の態様によれば、上述した予測操作量と実際の操舵操作量との偏差に所定の定数を乗じて付加舵角を算出することによって上記課題を解決した。
【実施例１】
【０００９】
以下、本発明を適用した車両用操舵装置の実施例１について説明する。
実施例１の操舵装置は、例えば４輪の乗用車の前輪を操舵するものである。
図１は、実施例１の操舵装置の構成を示す図である。なお、左右設けられる構成要素に関しては、左右それぞれＬ，Ｒの添え字を付して図示する。
操舵装置１は、左右の前輪１０及びハウジング２０を操向するものである。
ハウジング２０は、前輪１０を回転可能に支持する図示しないハブベアリングユニットを収容する部材である。ハウジング２０は、操向軸線（キングピン軸）から車両後方側へ突出したナックルアーム２１を備えている。
【００１０】
操舵装置１は、ステアリングホイール３０、アッパステアリングシャフト４０、舵角補正機構５０、ロワステアリングシャフト６０、ジョイント部７０、ステアリングギヤボックス８０、操舵制御部９０、モータ駆動部１００等を備えて構成されている。
ステアリングホイール３０は、ドライバが操舵操作を入力する操舵入力部である。
アッパステアリングシャフト４０は、ステアリングホイール３０と舵角補正機構５０とを連結し、ステアリングホイール３０の回転を舵角補正機構５０の後述するサンギヤ５１に伝達する回転軸である。
【００１１】
舵角補正機構５０は、アッパステアリングシャフト４０からの入力舵角に、所望の付加舵角を重畳させてロワステアリングシャフト６０に伝達するものである。付加舵角は、舵角補正機構５０がアッパステアリングシャフト４０に対してロワステアリングシャフト６０を回転させることによって発生する。
舵角補正機構５０は、サンギヤ５１，５２、プラネタリギヤ５３，５４、ピニオン軸５５、キャリヤ５６、モータ５７、ドライブギヤ５８、ドリブンギヤ５９等を備えて構成されている。
【００１２】
サンギヤ５１は、アッパステアリングシャフト４０の舵角補正機構５０側の端部に固定されている。
サンギヤ５２は、ロワステアリングシャフト６０の舵角補正機構５０側の端部に固定されている。
これらのサンギヤ５１，５２は、その回転中心軸が一致して配置されている。
【００１３】
プラネタリギヤ５３，５４は、それぞれサンギヤ５１，５２と噛合されている。
これらのプラネタリギヤ５３，５４は、その回転中心軸が一致して配置されている。
ピニオン軸５５は、プラネタリギヤ５３，５４が両端部にそれぞれ固定された回転軸である。
キャリヤ５６は、ピニオン軸５５及びプラネタリギヤ５３，５４を、サンギヤ５１，５２のそれぞれに対してこれらと同じ回転中心軸回りに公転可能に支持するとともに、ピニオン軸５５の中心軸回りに自転可能に支持する部材である。
【００１４】
モータ５７は、モータ駆動部１００によって駆動され、キャリヤ５６を回転駆動することによって所望の付加舵角を発生させるものである。
ドライブギヤ５８は、モータ５７の出力軸に固定されている。
ドリブンギヤ５９は、キャリヤ５６のステアリングホイール３０側の端部外径側に設けられ、ドライブギヤ５８と噛合され、ドライブギヤ５８によって駆動される。
【００１５】
ロワステアリングシャフト６０は、舵角補正機構５０とジョイント部７０とを連結し、舵角補正機構５０のサンギヤ５２の回転をジョイント部７０に伝達する回転軸である。
ジョイント部７０は、ロワステアリングシャフト６０とステアリングギヤボックス８０のピニオン軸８１とを連結し、ロワステアリングシャフト６０の回転を、方向を変えつつピニオン軸８１に伝達する。
ジョイント部７０は、直列に配置されたユニバーサルジョイント７１，７２、及び、これらを連結するジョイント軸７３を備えている。
【００１６】
ステアリングギヤボックス８０は、ピニオン軸８１から入力される回転運動を、図示しないステアリングラックの車幅方向の直進往復運動に変換するラックアンドピニオン機構を備えている。
また、ステアリングギヤボックス８０は、車幅方向の両端部に、ステアリングラックの動きをハウジング２０のナックルアーム２１に伝達するタイロッド８２を備えている。
【００１７】
操舵制御部９０は、ステアリングホイール３０の回転中心軸回りにおける位置（角度）を検出する舵角センサ（操作量検出手段）９１を備え、この舵角センサ９１の出力に応じて、舵角補正機構５０で付加される付加舵角を演算する付加舵角演算手段である。
舵角センサ９１は、例えばステアリングコラムに設けられ、アッパステアリングシャフト４０の回転と連動して相対移動するように配置された磁性体と磁気検出素子とを備え、磁気検出素子の出力に応じてアッパステアリングシャフト４０の角度（ステアリングホイール３０の角度と等しい）を検出する。
なお、操舵制御部９０における付加舵角の演算については、後に詳しく説明する。
モータ駆動部１００は、操舵制御部９０が演算した付加舵角に応じて、舵角補正機構５０のモータ５７を駆動し、舵角補正機構５０が目標とする付加舵角を発生するように制御するものである。
【００１８】
次に、上述した操舵装置１における付加舵角の演算について説明する。
操舵制御部９０は、舵角センサ９１が検出したステアリングホイール３０の角度θHを所定のサンプリングレートでサンプリングし、例えば過去３点（ｋ−１，ｋ−２，ｋ−３）のステアリングホイール角度を用いて、ｋ−１時点を中心とする２次テイラー展開により算出されるｋ時点でのステアリングホイール角度予測値θH_P（ｋ）を求める。そして、舵角予測値θH_P（ｋ）と、実際のｋ時点におけるステアリングホイール角度θＨ（ｋ）との差をとることによって、ｋ時点での予測誤差値ｅを求める。すなわち、ここでは操舵制御部９０は、予測操作量演算手段として機能する。
【００１９】
ステアリングホイール角度予測値θH_P（ｋ）は、以下の式１によって求められる。
θH_P(k)=θH(k−1)＋(θH(k−1)−θH(k−２))
＋0.5((θH(k−1)−θH(k−2))−(θH(k−2)−θH(k−3))) ・・・式１
また、予測誤差値（偏差）ｅは、以下の式２によって求められる。
ｅ＝θＨ（ｋ）−θH_P（ｋ） ・・・式２
θＨ（ｋ）：ｋ時点における実際のステアリングホイール角度
【００２０】
また、操舵制御部９０は、微分ステアリング制御のゲインＫｄ及び舵角補正機構５０における付加舵角θH_d（アッパステアリングシャフト４０に対するロワステアリングシャフト６０の回転角度）を、以下の式３及び式４の通り設定する。
【数１】
【数２】
ここで、ステアリングホイール角度θHと予測誤差値ｅとが同符号である場合とは、ドライバが急激にステアリングホイールを切り増した場合を意味する。
図２は、実施例１における予測誤差値ｅと微分ステアリング制御ゲインＫｄとの相関を示すグラフである。図２において、横軸は予測誤差値ｅ、縦軸はゲインＫｄをそれぞれ示している（後述する図４において同じ）。
【００２１】
上述した舵角補正機構５０の付加舵角θH_dによる前輪１０切れ角の変化量である前輪付加舵角δf_aは、以下の式５によって表される。
【数３】
このとき、前輪１０の実舵角は、δｆ＋δf_aとなる。ここで、舵角δｆは、舵角補正機構５０によって舵角補正を行わない場合（モータ５７を駆動しない場合）における前輪の舵角である。
【００２２】
次に、上述した実施例１の効果を、以下説明する本発明の比較例１，２と対比して説明する。なお、比較例１，２及び後述する実施例２において、実施例１と実質的に同様の箇所については説明を省略し、主に相違点について説明する。
比較例１は、ステアリングホイール角速度に応じた付加舵角を与えない（微分ステアリング制御を行わない）既存の操舵装置である。
比較例２は、ステアリングホイール角速度に一定のゲインを乗じて付加舵角を設定している操舵装置である。
【００２３】
図３は、実施例１及び比較例１，２において同じ操舵操作を行った際の舵角、実施例における偏差、及び、比較例２における操舵速度の履歴の一例を示すグラフである。
図３において、横軸は時間、縦軸は各項目の値の大きさをそれぞれ示している。
また、図３において、実施例１における舵角及び予測誤差値を実線及び破線、比較例１における舵角を一点鎖線、比較例２における舵角及び操舵速度を二点鎖線及び三点鎖線でそれぞれ示している。
【００２４】
図３に示すように、微分ステアリング制御を行わない比較例１においては、ドライバの操舵遅れによって、初期における舵角の立ち上がりが遅く、その結果、車両に発生するヨー運動の発生も遅れてしまう。
これに対し、ステアリングホイール角速度に一定のゲインを乗じて付加舵角を算出する微分ステアリング制御を行う比較例２の場合には、初期における舵角の立ち上がりが比較例１に対して早くなり、早期に車両のヨー運動を発生させることができる。しかし、比較例２では、舵角がドライバの意図する目標舵角よりも大きく切り込まれ、その後目標舵角まで戻される舵角のオーバーシュートが発生し、ドライバに違和感を与えてしまう。
【００２５】
これに対し、実施例１によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）過去３時点のステアリングホイール角度θＨをテイラー展開して得た予測操作量と、実際の操作量との偏差である予測誤差値ｅに基づいて付加舵角θH_dを演算することによって、例えば危険回避時のように急なステアリング操作が行われた場合に、付加舵角によって効果的にドライバの操舵遅れを補償し、早期に車両のヨー運動を発生させることができる。また、ステアリング操作の中期から後期にかけては上述した偏差が小さくなることから、付加舵角が過大となって生じる実舵角のオーバーシュートを防止することができる。
（２）予測誤差値ｅの増大に応じて微分ステアリング制御ゲインＫｄを増加させることによって、急なステアリング操作が開始されて予測誤差値ｅ及び操舵速度が大きい場合に、これらの積に比例させて付加舵角を大きくし、ドライバの操舵遅れを確実に補償することができる。また、ステアリング操作が収束しつつあって偏差が小さくなった場合に付加舵角を小さくしてオーバーシュートの防止を確実に行うことができる。
【実施例２】
【００２６】
次に、本発明を適用した車両用操舵装置の実施例２について説明する。
実施例２の車両用操舵装置は、上述した実施例１の式３に代えて、微分ステアリング制御のゲインＫｄを以下の式６に示すようにしたものである。
【数４】
図４は、実施例２における予測誤差値ｅと微分ステアリング制御ゲインＫｄとの相関を示すグラフである。
以上説明した実施例２によれば、上述した実施例１と同様の効果に加えて、所定の予測誤差値ｅに対するゲインＫｄの絶対値が大きくなることによって、微分ステアリング制御の効果を増大し、ドライバの操舵遅れの補償効果を高めることができる。
【実施例３】
【００２７】
次に、本発明を適用した車両用操舵装置の実施例３について説明する。
実施例３の車両用操舵装置においては、上述した実施例１における微分ステアリング制御に代えて、式２において求めた予測誤差値ｅに所定のゲインＫｃを直接乗じたものを、舵角補正機構５０における付加舵角θH_dとしている。
すなわち、実施例３においては、舵角補正機構５０における付加舵角θH_dは以下の式７のようになる。
【数５】
以上説明した実施例３によれば、上述した実施例１と同様の効果に加えて、微分処理を行う必要がないことから、ハードウェアの演算負荷を軽減することができ、また、微分に伴う波形の乱れや微分値出力の遅れといった問題を防止することができる。
【００２８】
（変形例）
本発明は、以上説明した実施例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）各実施例の操舵装置は、ステアリングコラムの途中にプラネタリギヤ式の舵角補正機構を設ける構成としているが、舵角補正機構の構成はこれに限らず適宜変更することができる。例えば、波動歯車装置を用いた舵角補正機構を用いてもよい。また、本発明はこのような舵角補正機構を用いたものに限らず、例えばステアリングホイールとステアリングギヤボックスとが機械的に接続されていないいわゆるステア・バイ・ワイヤの操舵装置にも適用することができる。
（２）各実施例の操舵装置は、舵角補正機構による付加舵角としてステアリングホイール操作速度に応じたもののみを用いているが、これを他の制御に基づく付加舵角と合成して用いてもよい。例えば、車両の走行速度に応じて見かけ上のステアリングギヤ比を変化させる可変ギヤ比制御に基づく付加舵角や、車両にオーバーステア、アンダーステア等の挙動が生じた際に、挙動を安定化させるために設定される付加舵角と、本発明による付加舵角とを重畳する構成としてもよい。
（３）操舵装置の機械的、ハードウェア的構成は上述した各実施例のものに限定されない。例えば、舵角補正機構の構造、配置や、ステアリングギヤボックスのキングピン軸に対する後置き、前置き等は適宜変更することができる。また、各制御手段を共通のＥＣＵに統合したり、複数のＥＣＵに分散することも可能である。
（４）実施例１では、舵角センサの出力を微分して操舵入力部の操作量の微分値を得ているが、これに限らず、操舵入力部の操作速度を検出する速度センサを設け、この出力を微分値として用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明を適用した車両用操舵装置の実施例１の構成を示す図である。
【図２】図１の車両用操舵装置における予測誤差値ｅと微分ステアリング制御ゲインＫｄとの相関を示すグラフである。
【図３】図１の車両用操舵装置におけるステアリングホイール角、操舵速度及び前輪実舵角の時間履歴の一例を示すグラフである。
【図４】本発明を適用した車両用操舵装置の実施例２における予測誤差値ｅと微分ステアリング制御ゲインＫｄとの相関を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１ 操舵装置 １０ 前輪
２０ ハウジング ２１ ナックルアーム
３０ ステアリングホイール ４０ アッパステアリングシャフト
５０ 舵角補正機構 ５１，５２ サンギヤ
５３，５４ プラネタリギヤ ５５ ピニオン軸
５６ キャリヤ ５７ モータ
５８ ドライブギヤ ５９ ドリブンギヤ
６０ ロワステアリングシャフト ７０ ジョイント部
７１，７２ ユニバーサルジョイント ７３ ジョイント軸
８０ ステアリングギヤボックス ８１ ピニオン軸
９０ 操舵制御部 ９１ 舵角センサ
１００ モータ駆動部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の車両の前輪を操舵する操舵装置に関し、特に、操舵操作量に比例した基礎舵角に、ドライバの急操舵操作に応じた付加舵角を重畳させる操舵装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の操舵装置は、一般に、ステアリングホイールの回転運動を、ステアリングシャフトを介してステアリングギヤボックスに伝達し、ここで車幅方向の直進運動に変換して前輪を操向している。
近年、例えばステアリングシャフトの途中にアクチュエータを有する舵角補正機構を配置し、ステアリングホイールの操作量に対して舵角補正機構の作動角を重畳させて前輪の実舵角を制御する操舵装置が提案されている。このようなアクチュエータを備えた操舵装置は、例えば車両の走行速度に応じて見かけ上のステアリングギヤ比を変化させるステアリングギヤ比可変制御や、車両に不安定な挙動が生じた際に、自動的に舵角を修正して車両を復元させる制御等が可能となり、アクティブステアリングと通称されている。
【０００３】
上述した操舵装置において、ステアリングホイール操作量に応じた舵角に、ステアリングホイール操作量の微分値に比例した付加舵角を付加する、いわゆる微分ステアリング制御を行うこと知られている（例えば、非特許文献１参照）。このような微分ステアリング制御を行うと、ドライバの操舵操作の遅れを補償して車両ヨー運動の応答性を高めることができる。
また、アクティブステア制御を行う車両用操舵装置において、反力トルクの変動を抑制することを目的として、モータ駆動に基づく舵角の角速度、角加速度が所定値を超えないようにガードすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【非特許文献１】鈴村将人他著「フロントステア制御システムの開発」社団法人自動車技術会学術講演会前刷集Ｎｏ．３４−０３
【特許文献１】特開２００６−３３５２５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、微分ステアリング制御を行う場合、例えば障害物を緊急回避する場合のようにドライバの操舵速度が速い場合には、微分値に応じた付加舵角が過度に大きくなって、前輪実舵角がドライバの意図する目標舵角よりも大きく切り込まれるオーバーシュートが生じる場合があった。この場合、前輪は目標舵角以上に切り込まれた後に切り戻されることになり、ドライバが意図しない過剰なヨー運動を発生させ、ドライバに強い違和感を与えることになる。
これに対し、微分値に応じた付加舵角のゲインを下げることによってオーバーシュートの影響を低減することは可能であるが、この場合微分ステアリング制御によってドライバの操舵遅れを補償する効果も減殺されてしまう。
上述した問題に鑑み、本発明は、ドライバの操舵遅れを効果的に補償するとともに舵角のオーバーシュートを防止した車両用操舵装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、ドライバが操舵操作を入力する操舵入力部と、前記操舵入力部の操作量を検出する操作量検出手段と、前記操舵入力部の前記操作量の履歴に基づいて予測操作量を演算する予測操作量演算手段と、前記操作量検出手段が検出した前記操舵入力部の実際の操作量と、前記予測操作量演算手段が演算した前記予測操作量との比較結果に基づいて、前記操舵入力部の操作量に応じた基礎舵角に付加される付加舵角を演算する付加舵角演算手段と、前記基礎舵角及び前記付加舵角に応じて前輪を操向する操舵機構部とを備えることを特徴とする車両用操舵装置である。
ここで、予測操作量は典型的には滑らかなステアリング操作を前提とした最新の操作量であって、これは例えば過去の複数時点での操作量をサンプリングし、テイラー展開することによって求めることができる。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１に記載の車両用操舵装置において、前記操舵入力部の操作量の微分値を検出する微分値検出手段を備え、前記付加舵角演算手段は、前記実際の操作量と前記予測操作量との偏差の増大に応じて増加する微分ステアリング制御ゲインに前記微分値を乗算して前記付加舵角を求めることを特徴とする車両用操舵装置である。
請求項３の発明は、請求項１に記載の車両用操舵装置において、前記付加舵角演算手段は、前記実際の操作量と前記予測操作量との偏差に所定のゲインを乗算して前記付加舵角を求めることを特徴とする車両用制御装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）操舵入力部の操作量の履歴に基づいて演算した予測操作量と実際の操作量との比較結果に基づいて付加舵角を演算することによって、例えば危険回避時のように急なステアリング操作が行われた場合（予測操作量と実際の操作量との偏差が大きい場合）に、大きな付加舵角を与えることでドライバの操舵遅れを効果的に補償することができる。また、ステアリング操作の中期から後期にかけては偏差が小さくなることから、付加舵角が過大となって生じる実舵角のオーバーシュートを防止することができる。
（２）実際の操作量と予測操作量との偏差の増大に応じて微分ステアリング制御ゲインを増加させることによって、急なステアリング操作が開始されて偏差及び操舵速度が大きい場合に、これらの積に応じて付加舵角を大きくしてドライバの操舵遅れを確実に補償することができる。また、ステアリング操作が収束しつつあって偏差及び操舵速度が小さくなった場合に付加舵角を小さくしてオーバーシュートの防止を確実に行うことができる。
（３）実際の操作量と予測操作量との偏差に所定のゲインを乗算して付加舵角を求めることによって、操舵入力部の操作量を微分する必要がなくなり、演算負荷の軽減を図るとともに、微分処理の際に生じる波形の乱れ、信号の出力遅れ等の影響を排除することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、ドライバの操舵遅れを効果的に補償するとともに舵角のオーバーシュートを防止した車両用操舵装置を提供する課題を、操舵操作量の履歴を２次テイラー展開することによって滑らかなステアリング操作を前提とした予測操舵操作量を算出し、この予測操舵操作量と実際の操舵操作量との偏差に応じて微分ステアリング制御のゲインを設定することによって解決した。
また、本発明の他の態様によれば、上述した予測操作量と実際の操舵操作量との偏差に所定の定数を乗じて付加舵角を算出することによって上記課題を解決した。
【実施例１】
【０００９】
以下、本発明を適用した車両用操舵装置の実施例１について説明する。
実施例１の操舵装置は、例えば４輪の乗用車の前輪を操舵するものである。
図１は、実施例１の操舵装置の構成を示す図である。なお、左右設けられる構成要素に関しては、左右それぞれＬ，Ｒの添え字を付して図示する。
操舵装置１は、左右の前輪１０及びハウジング２０を操向するものである。
ハウジング２０は、前輪１０を回転可能に支持する図示しないハブベアリングユニットを収容する部材である。ハウジング２０は、操向軸線（キングピン軸）から車両後方側へ突出したナックルアーム２１を備えている。
【００１０】
操舵装置１は、ステアリングホイール３０、アッパステアリングシャフト４０、舵角補正機構５０、ロワステアリングシャフト６０、ジョイント部７０、ステアリングギヤボックス８０、操舵制御部９０、モータ駆動部１００等を備えて構成されている。
ステアリングホイール３０は、ドライバが操舵操作を入力する操舵入力部である。
アッパステアリングシャフト４０は、ステアリングホイール３０と舵角補正機構５０とを連結し、ステアリングホイール３０の回転を舵角補正機構５０の後述するサンギヤ５１に伝達する回転軸である。
【００１１】
舵角補正機構５０は、アッパステアリングシャフト４０からの入力舵角に、所望の付加舵角を重畳させてロワステアリングシャフト６０に伝達するものである。付加舵角は、舵角補正機構５０がアッパステアリングシャフト４０に対してロワステアリングシャフト６０を回転させることによって発生する。
舵角補正機構５０は、サンギヤ５１，５２、プラネタリギヤ５３，５４、ピニオン軸５５、キャリヤ５６、モータ５７、ドライブギヤ５８、ドリブンギヤ５９等を備えて構成されている。
【００１２】
サンギヤ５１は、アッパステアリングシャフト４０の舵角補正機構５０側の端部に固定されている。
サンギヤ５２は、ロワステアリングシャフト６０の舵角補正機構５０側の端部に固定されている。
これらのサンギヤ５１，５２は、その回転中心軸が一致して配置されている。
【００１３】
プラネタリギヤ５３，５４は、それぞれサンギヤ５１，５２と噛合されている。
これらのプラネタリギヤ５３，５４は、その回転中心軸が一致して配置されている。
ピニオン軸５５は、プラネタリギヤ５３，５４が両端部にそれぞれ固定された回転軸である。
キャリヤ５６は、ピニオン軸５５及びプラネタリギヤ５３，５４を、サンギヤ５１，５２のそれぞれに対してこれらと同じ回転中心軸回りに公転可能に支持するとともに、ピニオン軸５５の中心軸回りに自転可能に支持する部材である。
【００１４】
モータ５７は、モータ駆動部１００によって駆動され、キャリヤ５６を回転駆動することによって所望の付加舵角を発生させるものである。
ドライブギヤ５８は、モータ５７の出力軸に固定されている。
ドリブンギヤ５９は、キャリヤ５６のステアリングホイール３０側の端部外径側に設けられ、ドライブギヤ５８と噛合され、ドライブギヤ５８によって駆動される。
【００１５】
ロワステアリングシャフト６０は、舵角補正機構５０とジョイント部７０とを連結し、舵角補正機構５０のサンギヤ５２の回転をジョイント部７０に伝達する回転軸である。
ジョイント部７０は、ロワステアリングシャフト６０とステアリングギヤボックス８０のピニオン軸８１とを連結し、ロワステアリングシャフト６０の回転を、方向を変えつつピニオン軸８１に伝達する。
ジョイント部７０は、直列に配置されたユニバーサルジョイント７１，７２、及び、これらを連結するジョイント軸７３を備えている。
【００１６】
ステアリングギヤボックス８０は、ピニオン軸８１から入力される回転運動を、図示しないステアリングラックの車幅方向の直進往復運動に変換するラックアンドピニオン機構を備えている。
また、ステアリングギヤボックス８０は、車幅方向の両端部に、ステアリングラックの動きをハウジング２０のナックルアーム２１に伝達するタイロッド８２を備えている。
【００１７】
操舵制御部９０は、ステアリングホイール３０の回転中心軸回りにおける位置（角度）を検出する舵角センサ（操作量検出手段）９１を備え、この舵角センサ９１の出力に応じて、舵角補正機構５０で付加される付加舵角を演算する付加舵角演算手段である。
舵角センサ９１は、例えばステアリングコラムに設けられ、アッパステアリングシャフト４０の回転と連動して相対移動するように配置された磁性体と磁気検出素子とを備え、磁気検出素子の出力に応じてアッパステアリングシャフト４０の角度（ステアリングホイール３０の角度と等しい）を検出する。
なお、操舵制御部９０における付加舵角の演算については、後に詳しく説明する。
モータ駆動部１００は、操舵制御部９０が演算した付加舵角に応じて、舵角補正機構５０のモータ５７を駆動し、舵角補正機構５０が目標とする付加舵角を発生するように制御するものである。
【００１８】
次に、上述した操舵装置１における付加舵角の演算について説明する。
操舵制御部９０は、舵角センサ９１が検出したステアリングホイール３０の角度θHを所定のサンプリングレートでサンプリングし、例えば過去３点（ｋ−１，ｋ−２，ｋ−３）のステアリングホイール角度を用いて、ｋ−１時点を中心とする２次テイラー展開により算出されるｋ時点でのステアリングホイール角度予測値θH_P（ｋ）を求める。そして、舵角予測値θH_P（ｋ）と、実際のｋ時点におけるステアリングホイール角度θＨ（ｋ）との差をとることによって、ｋ時点での予測誤差値ｅを求める。すなわち、ここでは操舵制御部９０は、予測操作量演算手段として機能する。
【００１９】
ステアリングホイール角度予測値θH_P（ｋ）は、以下の式１によって求められる。
θH_P(k)=θH(k−1)＋(θH(k−1)−θH(k−２))
＋0.5((θH(k−1)−θH(k−2))−(θH(k−2)−θH(k−3))) ・・・式１
また、予測誤差値（偏差）ｅは、以下の式２によって求められる。
ｅ＝θＨ（ｋ）−θH_P（ｋ） ・・・式２
θＨ（ｋ）：ｋ時点における実際のステアリングホイール角度
【００２０】
また、操舵制御部９０は、微分ステアリング制御のゲインＫｄ及び舵角補正機構５０における付加舵角θH_d（アッパステアリングシャフト４０に対するロワステアリングシャフト６０の回転角度）を、以下の式３及び式４の通り設定する。
【数１】
【数２】
ここで、ステアリングホイール角度θHと予測誤差値ｅとが同符号である場合とは、ドライバが急激にステアリングホイールを切り増した場合を意味する。
図２は、実施例１における予測誤差値ｅと微分ステアリング制御ゲインＫｄとの相関を示すグラフである。図２において、横軸は予測誤差値ｅ、縦軸はゲインＫｄをそれぞれ示している（後述する図４において同じ）。
【００２１】
上述した舵角補正機構５０の付加舵角θH_dによる前輪１０切れ角の変化量である前輪付加舵角δf_aは、以下の式５によって表される。
【数３】
このとき、前輪１０の実舵角は、δｆ＋δf_aとなる。ここで、舵角δｆは、舵角補正機構５０によって舵角補正を行わない場合（モータ５７を駆動しない場合）における前輪の舵角である。
【００２２】
次に、上述した実施例１の効果を、以下説明する本発明の比較例１，２と対比して説明する。なお、比較例１，２及び後述する実施例２において、実施例１と実質的に同様の箇所については説明を省略し、主に相違点について説明する。
比較例１は、ステアリングホイール角速度に応じた付加舵角を与えない（微分ステアリング制御を行わない）既存の操舵装置である。
比較例２は、ステアリングホイール角速度に一定のゲインを乗じて付加舵角を設定している操舵装置である。
【００２３】
図３は、実施例１及び比較例１，２において同じ操舵操作を行った際の舵角、実施例における偏差、及び、比較例２における操舵速度の履歴の一例を示すグラフである。
図３において、横軸は時間、縦軸は各項目の値の大きさをそれぞれ示している。
また、図３において、実施例１における舵角及び予測誤差値を実線及び破線、比較例１における舵角を一点鎖線、比較例２における舵角及び操舵速度を二点鎖線及び三点鎖線でそれぞれ示している。
【００２４】
図３に示すように、微分ステアリング制御を行わない比較例１においては、ドライバの操舵遅れによって、初期における舵角の立ち上がりが遅く、その結果、車両に発生するヨー運動の発生も遅れてしまう。
これに対し、ステアリングホイール角速度に一定のゲインを乗じて付加舵角を算出する微分ステアリング制御を行う比較例２の場合には、初期における舵角の立ち上がりが比較例１に対して早くなり、早期に車両のヨー運動を発生させることができる。しかし、比較例２では、舵角がドライバの意図する目標舵角よりも大きく切り込まれ、その後目標舵角まで戻される舵角のオーバーシュートが発生し、ドライバに違和感を与えてしまう。
【００２５】
これに対し、実施例１によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）過去３時点のステアリングホイール角度θＨをテイラー展開して得た予測操作量と、実際の操作量との偏差である予測誤差値ｅに基づいて付加舵角θH_dを演算することによって、例えば危険回避時のように急なステアリング操作が行われた場合に、付加舵角によって効果的にドライバの操舵遅れを補償し、早期に車両のヨー運動を発生させることができる。また、ステアリング操作の中期から後期にかけては上述した偏差が小さくなることから、付加舵角が過大となって生じる実舵角のオーバーシュートを防止することができる。
（２）予測誤差値ｅの増大に応じて微分ステアリング制御ゲインＫｄを増加させることによって、急なステアリング操作が開始されて予測誤差値ｅ及び操舵速度が大きい場合に、これらの積に比例させて付加舵角を大きくし、ドライバの操舵遅れを確実に補償することができる。また、ステアリング操作が収束しつつあって偏差が小さくなった場合に付加舵角を小さくしてオーバーシュートの防止を確実に行うことができる。
【実施例２】
【００２６】
次に、本発明を適用した車両用操舵装置の実施例２について説明する。
実施例２の車両用操舵装置は、上述した実施例１の式３に代えて、微分ステアリング制御のゲインＫｄを以下の式６に示すようにしたものである。
【数４】
図４は、実施例２における予測誤差値ｅと微分ステアリング制御ゲインＫｄとの相関を示すグラフである。
以上説明した実施例２によれば、上述した実施例１と同様の効果に加えて、所定の予測誤差値ｅに対するゲインＫｄの絶対値が大きくなることによって、微分ステアリング制御の効果を増大し、ドライバの操舵遅れの補償効果を高めることができる。
【実施例３】
【００２７】
次に、本発明を適用した車両用操舵装置の実施例３について説明する。
実施例３の車両用操舵装置においては、上述した実施例１における微分ステアリング制御に代えて、式２において求めた予測誤差値ｅに所定のゲインＫｃを直接乗じたものを、舵角補正機構５０における付加舵角θH_dとしている。
すなわち、実施例３においては、舵角補正機構５０における付加舵角θH_dは以下の式７のようになる。
【数５】
以上説明した実施例３によれば、上述した実施例１と同様の効果に加えて、微分処理を行う必要がないことから、ハードウェアの演算負荷を軽減することができ、また、微分に伴う波形の乱れや微分値出力の遅れといった問題を防止することができる。
【００２８】
（変形例）
本発明は、以上説明した実施例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）各実施例の操舵装置は、ステアリングコラムの途中にプラネタリギヤ式の舵角補正機構を設ける構成としているが、舵角補正機構の構成はこれに限らず適宜変更することができる。例えば、波動歯車装置を用いた舵角補正機構を用いてもよい。また、本発明はこのような舵角補正機構を用いたものに限らず、例えばステアリングホイールとステアリングギヤボックスとが機械的に接続されていないいわゆるステア・バイ・ワイヤの操舵装置にも適用することができる。
（２）各実施例の操舵装置は、舵角補正機構による付加舵角としてステアリングホイール操作速度に応じたもののみを用いているが、これを他の制御に基づく付加舵角と合成して用いてもよい。例えば、車両の走行速度に応じて見かけ上のステアリングギヤ比を変化させる可変ギヤ比制御に基づく付加舵角や、車両にオーバーステア、アンダーステア等の挙動が生じた際に、挙動を安定化させるために設定される付加舵角と、本発明による付加舵角とを重畳する構成としてもよい。
（３）操舵装置の機械的、ハードウェア的構成は上述した各実施例のものに限定されない。例えば、舵角補正機構の構造、配置や、ステアリングギヤボックスのキングピン軸に対する後置き、前置き等は適宜変更することができる。また、各制御手段を共通のＥＣＵに統合したり、複数のＥＣＵに分散することも可能である。
（４）実施例１では、舵角センサの出力を微分して操舵入力部の操作量の微分値を得ているが、これに限らず、操舵入力部の操作速度を検出する速度センサを設け、この出力を微分値として用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明を適用した車両用操舵装置の実施例１の構成を示す図である。
【図２】図１の車両用操舵装置における予測誤差値ｅと微分ステアリング制御ゲインＫｄとの相関を示すグラフである。
【図３】図１の車両用操舵装置におけるステアリングホイール角、操舵速度及び前輪実舵角の時間履歴の一例を示すグラフである。
【図４】本発明を適用した車両用操舵装置の実施例２における予測誤差値ｅと微分ステアリング制御ゲインＫｄとの相関を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１ 操舵装置 １０ 前輪
２０ ハウジング ２１ ナックルアーム
３０ ステアリングホイール ４０ アッパステアリングシャフト
５０ 舵角補正機構 ５１，５２ サンギヤ
５３，５４ プラネタリギヤ ５５ ピニオン軸
５６ キャリヤ ５７ モータ
５８ ドライブギヤ ５９ ドリブンギヤ
６０ ロワステアリングシャフト ７０ ジョイント部
７１，７２ ユニバーサルジョイント ７３ ジョイント軸
８０ ステアリングギヤボックス ８１ ピニオン軸
９０ 操舵制御部 ９１ 舵角センサ
１００ モータ駆動部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドライバが操舵操作を入力する操舵入力部と、
前記操舵入力部の操作量を検出する操作量検出手段と、
前記操舵入力部の前記操作量の履歴に基づいて予測操作量を演算する予測操作量演算手段と、
前記操作量検出手段が検出した前記操舵入力部の実際の操作量と、前記予測操作量演算手段が演算した前記予測操作量との比較結果に基づいて、前記操舵入力部の操作量に応じた基礎舵角に付加される付加舵角を演算する付加舵角演算手段と、
前記基礎舵角及び前記付加舵角に応じて前輪を操向する操舵機構部と
を備えることを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用操舵装置において、
前記操舵入力部の操作量の微分値を検出する微分値検出手段を備え、
前記付加舵角演算手段は、前記実際の操作量と前記予測操作量との偏差の増大に応じて増加する微分ステアリング制御ゲインに前記微分値を乗算して前記付加舵角を求めること
を特徴とする車両用操舵装置。
【請求項３】
請求項１に記載の車両用操舵装置において、
前記付加舵角演算手段は、前記実際の操作量と前記予測操作量との偏差に所定のゲインを乗算して前記付加舵角を求めること
を特徴とする車両用制御装置。
【請求項１】
ドライバが操舵操作を入力する操舵入力部と、
前記操舵入力部の操作量を検出する操作量検出手段と、
前記操舵入力部の前記操作量の履歴に基づいて予測操作量を演算する予測操作量演算手段と、
前記操作量検出手段が検出した前記操舵入力部の実際の操作量と、前記予測操作量演算手段が演算した前記予測操作量との比較結果に基づいて、前記操舵入力部の操作量に応じた基礎舵角に付加される付加舵角を演算する付加舵角演算手段と、
前記基礎舵角及び前記付加舵角に応じて前輪を操向する操舵機構部と
を備えることを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用操舵装置において、
前記操舵入力部の操作量の微分値を検出する微分値検出手段を備え、
前記付加舵角演算手段は、前記実際の操作量と前記予測操作量との偏差の増大に応じて増加する微分ステアリング制御ゲインに前記微分値を乗算して前記付加舵角を求めること
を特徴とする車両用操舵装置。
【請求項３】
請求項１に記載の車両用操舵装置において、
前記付加舵角演算手段は、前記実際の操作量と前記予測操作量との偏差に所定のゲインを乗算して前記付加舵角を求めること
を特徴とする車両用制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１１３５０９（Ｐ２００９−１１３５０９Ａ）
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８５１２１（Ｐ２００７−２８５１２１）
【出願日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
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