(57)【要約】【課題】運転者がステアリングホイルの切り遅れという違和感を抱くことなく、カーブを走行可能な車両用操舵装置を提供する。【解決手段】ステアリングホイルの操舵角θｈを検出する操舵角センサ３と、ステアリングホイルの操舵角速度ｄθｈ／ｄｔを算出する角速度算出部２３とを備え、操舵角θｈと操舵角速度ｄθｈ／ｄｔに基づいて目標転舵角θｆを設定し、車両の転舵輪の転舵角が目標転舵角θｆになるように転舵輪を転舵する車両用操舵装置において、車両が現在走行している車道の中心線の曲線半径Ｒを検出し、操舵角速度ゲインＫ１を曲線半径Ｒが小さくなると増大するように設定し、操舵角θｈと操舵角ゲインＫ０の積Ｋ０・θｈと操舵角速度ｄθｈ／ｄｔと操舵角速度ゲインＫ１の積Ｋ１・ｄθｈ／ｄｔとの和に基づいて目標転舵角θｆを設定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリングホイルの操舵角を検出する操舵角検出手段と、前記ステアリングホイルの操舵角速度を算出する操舵角速度算出手段とを備え、前記操舵角と前記操舵角速度に基づいて目標転舵角を設定し、車両の転舵輪の転舵角が前記目標転舵角になるように前記転舵輪を転舵する車両用操舵装置において、
前記車両が現在走行している車道の中心線の曲線半径を検出し、
操舵角速度ゲインを、前記曲線半径が小さくなると増大するように設定し、
前記操舵角と操舵角ゲインの積と、前記操舵角速度と前記操舵角速度ゲインの積との和に基づいて前記目標転舵角を設定することを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項２】
前記曲線半径の検出では、ナビゲーションシステムから取得される前記車道の地図情報に基づいて、前記曲線半径が検出されることを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。
【請求項３】
前記曲線半径の検出では、カメラで撮影される前記車道の画像情報に基づいて、前記曲線半径が検出されることを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。
【請求項４】
前記転舵角に対する前記操舵角の伝達レシオを変化させる差動ギヤを有し、
前記差動ギヤは、前記転舵角が前記目標転舵角になるように、前記操舵角に応じて前記伝達レシオを変化させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の車両用操舵装置。
【請求項５】
発生するトルクを前記ステアリングホイルに伝達させることなく、前記転舵輪を転舵させるように駆動する転舵アクチュエータを有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の車両用操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステアリングホイルの操舵角と操舵角速度に基づいて目標転舵角を設定し、車両の転舵輪の転舵角が前記目標転舵角になるように転舵する車両用操舵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、運転者によるステアリングホイルの操舵角に対する、車両の転舵輪の転舵角を可変できるアクティブ前輪操舵（ＡＦＳ：Active front steering）とステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ：Steer by Wire）とが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような操舵装置では、ステアリングホイルの操作量や、車両の車速に応じて、転舵輪の目標転舵角を決定し、この目標転舵角に応じて転舵輪を転舵させている。
【特許文献１】特開２００８−１８９２００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記アクティブ前輪操舵やステア・バイ・ワイヤを搭載した車両に限らず、一般の車両において、車両がカーブに進入すると、車両はアンダーステアになり、運転者は、切り遅れというステアリングホイルが思ったように切れない違和感を抱く場合があった。
【０００４】
そこで、本発明は、運転者がステアリングホイルの切り遅れという違和感を抱くことなく、カーブを走行可能な車両用操舵装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ステアリングホイルの操舵角を検出する操舵角検出手段と、前記ステアリングホイルの操舵角速度を算出する操舵角速度算出手段とを備え、前記操舵角と前記操舵角速度に基づいて目標転舵角を設定し、車両の転舵輪の転舵角が前記目標転舵角になるように前記転舵輪を転舵する車両用操舵装置において、
前記車両が現在走行している車道の中心線の曲線半径を検出し、
操舵角速度ゲインを、前記曲線半径が小さくなると増大するように設定し、
前記操舵角と操舵角ゲインの積と、前記操舵角速度と前記操舵角速度ゲインの積との和に基づいて前記目標転舵角を設定することを特徴とする。
【０００６】
車両が現在走行している車道の中心線の曲線半径が小さいほど、車両の転舵輪の転舵角を大きくしなければならず、応じて、ステアリングホイルの操舵角も大きくしなければならない。本発明によれば、曲線半径が小さい場合、大きな操舵角速度ゲインを設定でき、さらに、この大きな操舵角速度ゲインと操舵角速度との積に基づいて目標転舵角が設定できるので、結果的に、操舵角は小さくても、目標転舵角を大きくできる。このため、カーブでのアンダーステアは発生し難く、運転者の抱くステアリングホイルが思ったように切れないという切り遅れの違和感を抑制することができる。また、操舵角速度ゲインと操舵角速度との積に基づいて目標転舵角が設定できるので、運転者がステアリングホイルを速く切って、迅速に転舵したい場合は、操舵角速度が大きくなるので、目標転舵角も大きくでき、カーブ時の操舵角の応答性を高められる。これによっても、運転者の抱くステアリングホイルが思ったように切れないという切り遅れの違和感を抑制することができる。
【０００７】
また、本発明の前記曲線半径の検出では、ナビゲーションシステムから取得される前記車道の地図情報に基づいて、前記曲線半径が検出されることが好ましい。ナビゲーションシステムでは、走行中には、車両が現在走行している車道を含めた付近の地図情報を有している。この地図情報から、車両の予定ルートに沿った車両が現在走行している車道の道路情報を取得すれば、その道路情報から、その車道（道路情報）の中心線の曲線半径は、画像処理により、容易に検出することができる。
【０００８】
また、本発明の前記曲線半径の検出では、カメラで撮影される前記車道の画像情報に基づいて、前記曲線半径が検出されることが好ましい。車載されているカメラで撮影された車両が現在走行している車道の画像情報からは、画像処理により、その車道の中心線の曲線半径を容易に検出することができる。
【０００９】
また、本発明では、前記転舵角に対する前記操舵角の伝達レシオを変化させる差動ギヤを有し、前記差動ギヤは、前記転舵角が前記目標転舵角になるように、前記操舵角に応じて前記伝達レシオを変化させることが好ましい。これによれば、本発明に係る車両用操舵装置を、アクティブ前輪操舵において提供することができる。
【００１０】
また、本発明では、発生するトルクを前記ステアリングホイルに伝達させることなく、前記転舵輪を転舵させるように駆動する転舵アクチュエータを有することが好ましい。これによれば、本発明に係る車両用操舵装置を、ステア・バイ・ワイヤにおいて提供することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、運転者がステアリングホイルの切り遅れという違和感を抱くことなく、カーブを走行可能な車両用操舵装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００１３】
図１に、本発明の実施形態に係る車両用操舵装置１の構成図を示す。
車両用操舵装置１は、運転者が操舵可能なステアリングホイル２と、その操舵による操舵角θｈを検出する操舵角センサ（操舵角検出手段）３と、その操舵による操舵トルクを検出するトルクセンサ４と、操舵角θｈに対する車両の転舵輪１１の転舵角の比である伝達レシオＫ２の大きさを可変させる伝達レシオ可変機構５と、ステアリングホイル２の操舵角θｈ（操舵力）を転舵輪１１の転舵角（操舵力）に変換するラック＆ピニオン型ギヤボックス６と、転舵角を検出する転舵角センサ７とを有している。
【００１４】
ステアリングホイル２は、ステアリングシャフト２ａに連結され、ステアリングホイル２に伴ってステアリングシャフト２ａが回転することによって、操舵角θｈ（操舵力）が伝達可変機構５に伝達される。操舵角センサ（操舵角検出手段）３と、トルクセンサ４とは、ステアリングシャフト２ａの近傍に設けられている。検出された操舵角θｈと操舵トルクとは、制御手段８へ送信される。操舵角θｈは、中立位置をθｈ＝０として、正の値で定義されるものとする。また、ここで、ステアリングホイル２の中立位置とは、転舵輪１１が直進状態になるように制御されるステアリングホイル２の位置に対応する。
【００１５】
伝達レシオ可変機構５は、ステアリングシャフト２ａとラック＆ピニオン型ギヤボックス６のそれぞれに連結する差動ギヤ５ｂと、伝達レシオＫ２を変化させるために差動ギヤ５ｂを回動させる差動ギヤ用モータ５ａと、制御手段８から伝達レシオＫ２を受信し、受信した伝達レシオＫ２になるように差動ギヤ用モータ５ａを駆動するための駆動電流を流す駆動手段５ｃとを有している。
【００１６】
ラック＆ピニオン型ギヤボックス６は、軸方向に移動して転舵輪１１を転舵させる略棒状のラック軸６ｄと、ステアリングホイル２等の回転運動をラック軸６ｄの軸方向の直線運動に変換するラック＆ピニオン６ａと、ラック軸６ｄに転舵力の補助力を付与するＥＰＳモータ６ｂと、ＥＰＳモータ６ｂをＰＷＭ駆動し補助力を発生させるための駆動電流を供給する駆動手段６ｃとを有している。
【００１７】
ラック軸６ｄの両端部には、それぞれ、ステアリングロッド１４、タイロッド１３、及びナックルアーム１２を介して、転舵輪１１が連結されている。ラック軸６ｄに伝達した転舵力によって、ステアリングロッド１４が直線運動し、タイロッド１３及びナックルアーム１２を介して、転舵輪１１は、その転舵角を変化させる。
【００１８】
転舵角センサ７は、ラック軸６ｄに設けられている。転舵角センサ７は、ステアリングロッド１４の移動量を検出するポテンショメータを有している。
【００１９】
トルクセンサ４は、ステアリングホイル２と差動ギヤ５ｂの間に装備され、ステアリングホイル２にかかる操舵トルクを直接検出できるようになっている。トルクセンサ４で計測された操舵トルクは、制御手段８に送信される。制御手段８では、操舵トルクに基づいて前記補助力の大きさが決定され、その補助力に見合った駆動電流をＥＰＳモータ６ｂへ出力するように、駆動手段６ｃに制御信号を送信する。ＥＰＳモータ６ｂは、運転者がステアリングホイル２に作用させる操舵力を軽減させるために、補助力を発生させるのであって、操舵角θｈに対して対応する転舵角を小さくさせたり大きくさせたりして変化させることは基本的に無い。一方、伝達レシオ可変機構５は、操舵角θｈに対して対応する転舵角（伝達レシオＫ２）を小さくさせたり大きくさせたり変化させることができる。伝達レシオＫ２は所定の値に設定されると、実質的に、ステアリングホイル２から転舵輪１１までは、機械的に連結され、ＥＰＳモータ６ｂ単独でラック軸６ｄを移動させることは基本的にできない。
【００２０】
このことから、（目標）転舵角θｆは、式１によって求めることができる。ここで、Ｋ０は、操舵角ゲインである。伝達レシオＫ２は、車両が現在走行している車道の中心線の曲線半径Ｒによって変化することになるが、操舵角ゲインＫ０は、曲線半径Ｒによって変化しない値である。
θｆ＝Ｋ２×Ｋ０×θｈ・・・式１
【００２１】
そして、制御手段８には、ナビゲーションシステム９ａとカメラ９ｂとの少なくともどちらか一方が接続されている。制御手段８は、ナビゲーションシステム９ａから取得される車両が現在走行している車道の地図情報に基づいて、前記曲線半径Ｒを検出する。また、制御手段８は、カメラ９ｂで撮影される車両が現在走行している車道の画像情報に基づいて、前記曲線半径Ｒを検出する。
【００２２】
図２に、制御手段８のブロック図を示す。制御手段８は、操舵角ゲイン設定部２１と、乗算部２２と、角速度算出部２３と、Ｒ検出部２４と、操舵角速度ゲイン設定部２５と、乗算部２６と、和算部２７と、伝達レシオ算出部２８とを有している。
【００２３】
Ｒ検出部２４には、ナビゲーションシステム９ａとカメラ９ｂの少なくともどちらか一方が接続されている。ナビゲーションシステム９ａが接続されている場合は、図３に示すような車両が現在走行している車道周辺の地図情報３１が、ナビゲーションシステム９ａからＲ検出部２４へ送信される。地図情報３１は、車両が現在走行している車道の形状、すなわち、どこを通って、どう曲がっているかのわかる道路情報３２を有している。Ｒ検出部２４は、地図情報３１から、道路情報３２を抽出する。Ｒ検出部２４は、抽出した道路情報３２に基づいて、車両が現在走行している車道の中心線３３を作成する。中心線３３は、車両の現在の位置を示す車両位置３５の前後に作成される。なお、この中心線３３に替えて、ナビゲーションシステム９ａが作成した、車両が目的地に向かうために選択された予定ルートを用いてもよい。次に、Ｒ検出部２４は、車両位置３５の前後の中心線３３にフィッティングする円３４の半径を前記曲線半径Ｒとして検出する。
【００２４】
また、Ｒ検出部２４にカメラ９ｂが接続されている場合は、図４に示すような車両が現在走行している車道を、カメラ９ｂで撮影した画像情報３６が、カメラ９ｂからＲ検出部２４へ送信される。Ｒ検出部２４は、画像情報３６に基づいて、車道の両端である縁石３７と中央分離３８とを抽出する。Ｒ検出部２４は、縁石３７と中央分離３８との中央に、車両が現在走行している車道の中心線３９を作成する。次に、Ｒ検出部２４は、中心線３９にフィッティングする円弧４０の半径を前記曲線半径Ｒとして検出する。
【００２５】
そして、検出された曲線半径Ｒは、Ｒ検出部２４から、操舵角速度ゲイン設定部２５へ送信される。
【００２６】
図５に、操舵角速度ゲイン設定部２５が、入力する曲線半径Ｒと、その曲線半径Ｒに対して設定（出力）する操舵角速度ゲインＫ１の関係を示す。図５に示すように、操舵角速度ゲイン設定部２５に入力される曲線半径Ｒが小さくなる程、操舵角速度ゲイン設定部２５から出力される操舵角速度ゲインＫ１は大きくなるように設定されている。このような設定は、曲線半径Ｒと操舵角速度ゲインＫ１の関係をデータベースに記憶させておき、入力した曲線半径Ｒに応じて、対応する操舵角速度ゲインＫ１を読み出し出力することで実現することができる。
【００２７】
また、図２に示すように、制御手段８では、操舵角センサ３から受信した操舵角θｈを、乗算部２２と、角速度算出部２３と、伝達レシオ算出部２８とが受信する。
【００２８】
乗算部２２では、操舵角θｈと前記操舵角ゲインＫ０とを乗算し、その積Ｋ０・θｈを出力する。前記したように操舵角ゲインＫ０は、曲線半径Ｒによって変化しない値であるので、操舵角ゲイン設定部２１に所定の操舵角ゲインＫ０を予め設定して記憶しておき、必要に応じて読み出せばよい。
【００２９】
角速度算出部（操舵角速度算出手段）２３は、受信した操舵角θｈを用いて、操舵角θｈの時間微分である操舵角速度ｄθｈ／ｄｔを算出し、乗算部２６へ送信する。
【００３０】
乗算部２６では、操舵角速度ｄθｈ／ｄｔと前記操舵角速度ゲインＫ１とを乗算し、その積Ｋ１・ｄθｈ／ｄｔを出力する。
【００３１】
和算部２７では、積Ｋ０・θｈと、積Ｋ１・ｄθｈ／ｄｔとを和算し、その和（Ｋ０×θｈ＋Ｋ１×ｄθｈ／ｄｔ）を目標転舵角θｆとして出力する。目標転舵角θｆは、制御手段８が車両の転舵輪の転舵角を制御して近づけ一致させようとする目標値である。すなわち、制御手段８は、その和を目標転舵角θｆに設定したことになる（θｆ＝Ｋ０×θｈ＋Ｋ１×ｄθｈ／ｄｔ）。
【００３２】
伝達レシオ算出部２８では、和算部２７から受信する目標転舵角θｆに基づいて、前記式１を用いて、伝達レシオＫ２を算出する。算出された伝達レシオＫ２は、駆動手段５ｃ（図１参照）へ送信され、伝達レシオ可変機構５（図１参照）において、転舵角が目標転舵角θｆに一致するような伝達レシオＫ２が実現されることになる。また、制御手段８は、転舵角センサ７で計測される転舵角を受信し、受信した転舵角が目標転舵角θｆに一致するようにフィードバック制御を行いことで、その一致の精度を高めることができる。
【００３３】
図６に、ステアリングホイルを操舵した際の目標転舵角θｆの時間変化を示す。目標転舵角θｆは、操舵角依存成分（Ｋ０・θｈ）と操舵角速度依存成分（Ｋ１・ｄθｈ／ｄｔ）の和であるので、操舵角依存成分（Ｋ０・θｈ）に、操舵角速度依存成分（Ｋ１・ｄθｈ／ｄｔ）が加算されて上積みされている様子として図６を表している。また、実線の「大Ｒ」は、図５に示すように曲線半径Ｒが大きい場合であり、破線の「小Ｒ」は曲線半径Ｒが小さい場合である。
【００３４】
これより、曲線半径Ｒが小さい方が、操舵角は同じでも、目標転舵角θｆを大きくでき、カーブでのアンダーステアは発生し難く、運転者の抱くステアリングホイル２が思ったように切れないという切り遅れの違和感を抑制することができる。また、曲線半径Ｒが小さい方が、操舵開始から目標転舵角θｆがピークに達するまでの時間が短いので、カーブ時の操舵角の応答性が高くなり、運転者の抱くステアリングホイル２が思ったように切れないという切り遅れの違和感を抑制することができる。
【００３５】
図７に、本発明の実施形態の変形例に係る車両用操舵装置１の構成図を示す。図１の実施形態に係る車両用操舵装置１は、アクティブ前輪操舵によっていたが、図７の実施形態の変形例に係る車両用操舵装置１は、ステア・バイ・ワイヤによっている。変形例が、実施形態と異なる点は、トルクセンサ４と伝達レシオ可変機構５が省かれ、反力モータ１５と反力モータ駆動手段１５ａとが設けられている点である。また、ラック＆ピニオン６ａとＥＰＳモータ６ｂと駆動手段６ｃが省かれ、転舵アクチュエータ１６と転舵アクチュエータ駆動手段１６ａが設けられている点が異なっている。特に、伝達レシオ可変機構５とラック＆ピニオン６ａが省かれたことにより、ステアリングホイル２とラック軸６ｄとが機械的に接続されていない点が大きく異なっている。さらに、伝達レシオ可変機構５が省かれたことによって、制御手段８は、伝達レシオＫ２を出力することなく、目標転舵角θｆを出力すればよいので、図２の伝達レシオ算出部２８は省くことができる。
【００３６】
反力モータ１５は、その出力軸がステアリングシャフト２ａと連結されており、これにより、ステアリングホイル２を中立位置（θｈ＝０）に復帰させる方向に作用する反力と、この中立位置（θｈ＝０）に復帰させる方向とは反対の方向に作用させる復帰抵抗力と、を発生させることが可能になっている。制御手段８は、操舵角θｈに基づいた制御信号を反力モータ駆動手段１５ａに出力する。反力モータ駆動手段１５ａは、制御信号に基づいて、反力モータ１５を駆動し、車両の走行状態及び運転者による操作状態に応じて、ステアリングホイル２に対して反力、又は、復帰抵抗力を付与する。
【００３７】
転舵アクチュエータ１６は、ラック軸６ｄに転舵動力を付与して、ラック軸６ｄを軸方向に移動させ、転舵輪１１を転舵させる。転舵アクチュエータ駆動手段１６ａは、制御手段８から、目標転舵角θｆを受信する。転舵アクチュエータ駆動手段１６ａは、転舵角が目標転舵角θｆに近づき一致するように、転舵アクチュエータ１６を駆動させ、ラック軸６ｄを移動させる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係る車両用操舵装置の構成図である。
【図２】制御手段のブロック図である。
【図３】ナビゲーションシステムから取得した地図情報の例であり、曲線半径の検出方法を示している。
【図４】カメラから取得した画像情報の例であり、曲線半径の検出方法を示している。
【図５】操舵角速度ゲイン設定部が、入力する曲線半径Ｒと、その曲線半径Ｒに対して設定（出力）する操舵角速度ゲインＫ１の関係を示すグラフである。
【図６】ステアリングホイルを操舵した際の目標転舵角θｆの時間変化を示すグラフであり、操舵角依存成分（Ｋ０・θｈ）に、曲線半径Ｒが大きい場合と小さい場合の操舵角速度依存成分（Ｋ１・ｄθｈ／ｄｔ）が加算されている様子を示している。
【図７】本発明の実施形態の変形例に係る車両用操舵装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
１      車両用操舵装置
２      ステアリングホイル
２ａ    ステアリングシャフト
３      操舵角センサ（操舵角検出手段）
４      トルクセンサ
５      伝達レシオ可変機構
５ａ    差動ギヤ用モータ
５ｂ    差動ギヤ（遊星ギヤ）
５ｃ    駆動手段
６      ラック＆ピニオン型ギヤボックス
６ａ    ラック＆ピニオン
６ｂ    ＥＰＳモータ
６ｃ    駆動手段
６ｄ    ラック軸
７      転舵角センサ
８      制御手段
９ａ    ナビゲーションシステム
９ｂ    カメラ
１１    転舵輪
１２    ナックルアーム
１３    タイロッド
１４    ステアリングロッド
１５    反力モータ
１５ａ  反力モータ駆動手段
１６    転舵アクチュエータ
１６ａ  転舵アクチュエータ駆動手段
２１    操舵角ゲイン設定部
２２    乗算部
２３    角速度算出部
２４    Ｒ検出部
２５    操舵角速度ゲイン設定部
２６    乗算部
２７    和算部
２８    伝達レシオ算出部
３１    地図情報
３２    道路情報
３３    中心線
３４    フィッティングした円
３５    車両位置
３６    画像情報
３７    縁石
３８    中央分離
３９    中心線
４０    フィッティングした円弧
【図１】
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【図２】
2010132221.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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