(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作手段の操作に基づいて舵取り機構を駆動する車両用操舵装置であって、
車両の挙動を表す挙動変数の規範値を操作手段の操作内容に応じて演算する規範値演算手段と、
車両の実際の挙動を表す挙動変数を検出する車両挙動検出手段と、
車両の走行状態を判別する走行状態判別手段と、
前記操作手段の操作角に応じて舵取り機構を駆動する舵取り制御部と、
前記走行状態判別手段の判別結果に基づいて、車両の挙動変数の変動を位相進み、位相遅れまたはニュートラルバランスのいずれかに制御すべく、前記舵取り制御部による前記舵取り機構の制御態様を変更する走行状態適応手段とを含むことを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項２】
前記走行状態判別手段は、緊急操舵のために前記操作手段が操作された緊急状態、車両が直進している直進状態、および車両が旋回している旋回状態を判別することができるものであることを特徴とする請求項１記載の車両用操舵装置。
【請求項３】
前記走行状態適応手段は、前記走行状態判別手段により車両の走行状態が緊急状態であると判別されたときには、車両の挙動変数の変動が位相進みとなるように前記舵取り制御部の制御態様を設定し、前記走行状態判別手段により車両の走行状態が直進状態であると判別されたときには、車両の挙動変数の変動が位相遅れとなるように前記舵取り制御部の制御態様を設定し、前記走行状態判別手段により車両の走行状態が旋回状態であると判別されたときには、車両の挙動変数の変動がニュートラルバランスとなるように前記舵取り制御部の制御態様を設定するものであることを特徴とする請求項２記載の車両用操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえば、ステアリングホイールなどの操作手段の操作に対する舵取り車輪の転舵の関係を変更しうる車両用操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステアリングホイールと舵取り車輪を転舵するための舵取り機構との機械的な結合を無くし、ステアリングホイールの操作方向および操作量を検出するとともに、その検出結果に基づいて、舵取り機構に電動モータ等のアクチュエータからの駆動力を与えるようにした車両用操舵装置が提案されている（たとえば、特開平９−１４２３３０号公報参照）。
【０００３】
このような構成を採用することにより、舵取り機構とステアリングホイールとを機械的に連結する必要がないので、衝突時におけるステアリングホイールの突き上げを防止できるとともに、舵取り機構の構成を簡素化および軽量化することができる。また、ステアリングホイールの配設位置の自由度が増し、さらには、ステアリングホイール以外のレバーまたはペダル等の他の操作手段の採用をも可能とすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような構成の車両用操舵装置においては、ステアリングホイールの操作と舵取り機構の動作との関係を電気的制御によって、自由に変更することができるので、車両の運転性能を飛躍的に向上できるものと期待されている。
たとえば、操舵に対する車両の運動特性（オーバーステア、アンダーステア、ニュートラルステアなど）は、車両諸元（重量、ホイールベース、重心位置等のパラメータ）によって、ほぼ確定するが、この運動特性は、ステアリングホイールの操作と舵取り機構の動作との関係を、電気的制御によって適切に定めることにより、最適化できる。
【０００５】
車両の運動特性は、操舵に対する応答性、剛性感および素直さといった運動特性の指標により表される。しかし、これらの指標は、制御の特性上、相反する部分があり、全ての指標を十分に満たすことは困難である。すなわち、たとえば、危険を回避する場合のような緊急時には、良好な応答性が求められるのに対して、直進時には、ふらつきを無くすために高い剛性感が求められ、これらを同時に満たすことは困難である。また、旋回時には、運転者の意思（ステアリングホイールの操作）に良好に追従する舵取り制御が必要であるので、素直さが重視されるが、素直さを高めるには、剛性感を犠牲にせざるを得ない。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、車両の走行状態に応じた適切な舵取り制御を行うことによって、車両の運動特性を向上できる車両用操舵装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、操作手段（１）の操作に基づいて舵取り機構（２，３）を駆動する車両用操舵装置であって、車両の挙動を表す挙動変数の規範値を操作手段の操作内容に応じて演算する規範値演算手段（２５）と、車両の実際の挙動を表す挙動変数を検出する車両挙動検出手段（１５，１６）と、車両の走行状態を判別する走行状態判別手段（２７）と、前記操作手段の操作角に応じて舵取り機構を駆動する舵取り制御部（２０，２６，２８）と、前記走行状態判別手段の判別結果に基づいて、車両の挙動変数の変動を位相進み、位相遅れまたはニュートラルバランスのいずれかに制御すべく、前記舵取り制御部による前記舵取り機構の制御態様を変更する走行状態適応手段（２６）とを含むことを特徴とする車両用操舵装置である。位相進みとは、車両の実際の挙動変数が規範の挙動変数よりも早く変動する状態をいい、位相遅れとは、車両の実際の挙動変数が規範の挙動変数よりも遅く変動する状態をいい、ニュートラルバランスとは、位相進みも位相遅れもない状態をいう。なお、括弧内の数字は、後述の実施形態における対応構成要素を表す。
【０００８】
前記操作手段と舵取り機構とは機械的な結合が無く、操作手段の操作に対応して舵取り機構が電気的に制御されるようになっていることが好ましい。
この発明によれば、車両の走行状態に適応して、車両の挙動変数の変動が、位相進み、位相遅れまたはニュートラルバランスとなるように、舵取り機構の制御態様が変更される。これにより、走行状態に適応した適切な舵取り制御が行われるので、車両の運動特性が向上される。
【０００９】
たとえば、請求項２に記載のように、前記走行状態判別手段は、緊急操舵のために前記操作手段が操作された緊急状態、車両が直進している直進状態、および車両が旋回している旋回状態を判別することができるものであってもよい。
この場合に、請求項３に記載のように、前記走行状態適応手段は、前記走行状態判別手段により車両の走行状態が緊急状態であると判別されたときには、車両の挙動変数の変動が位相進みとなるように前記舵取り制御部の制御態様を設定し、前記走行状態判別手段により車両の走行状態が直進状態であると判別されたときには、車両の挙動変数の変動が位相遅れとなるように前記舵取り制御部の制御態様を設定し、前記走行状態判別手段により車両の走行状態が旋回状態であると判別されたときには、車両の挙動変数の変動がニュートラルバランスとなるように前記舵取り制御部の制御態様を設定するものであってもよい。
【００１０】
この構成によれば、緊急時には、車両の挙動変数の変動が位相進みとなるようにして応答性が向上される。また、直進時には、車両の挙動変数の変動が位相遅れとなるようにして剛性感が向上される。さらに、旋回時には、車両の挙動変数の変動をニュートラルバランスとして、素直さの向上が図られる。このようにして、車両の運動特性の相反する指標を、車両の走行状態に適応して個別に向上できるから、全ての指標を十分に満足な値とすることができ、車両の総合的な運動特性を格段に向上することができる。
【００１１】
なお、前記車両の挙動変数は、車両の横加速度を含んでもよい。さらに、車両の挙動変数は、車両のヨーレートを含んでもよい。
車両の横加速度および／またはヨーレートを、車両の走行状態に適応して、位相進み、位相遅れまたはニュートラルバランスとなるように制御することによって、良好な姿勢制御が可能になり、車両の操向性能を向上することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の基本的な構成を説明するための概念図である。この車両用操舵装置は、ステアリングホイール（操作手段）１の回転操作に応じて駆動される操舵用アクチュエータ２の動作をステアリングギア３によって前部左右車輪４（舵取り車輪）の転舵運動に変換することによって、ステアリングホイール１とステアリングギア３とを機械的に連結することなく、操舵を達成している。この場合に、操舵用アクチュエータ２およびステアリングギア３などにより、舵取り機構が構成されている。
【００１３】
操舵用アクチュエータ２は、たとえば公知のブラシレスモータ等の電動モータにより構成することができる。ステアリングギア３は、操舵用アクチュエータ２の出力シャフトの回転運動をステアリングロッド７の軸方向（車幅方向）の直線運動に変換する運動変換機構（ボールねじ機構など）を有する。ステアリングロッド７の運動は、タイロッド８を介してナックルアーム９に伝達され、このナックルアーム９の回動を引き起こす。これにより、ナックルアーム９に支持された車輪４の転舵が達成される。
【００１４】
ステアリングホイール１は、車体に対して回転可能に支持された回転シャフト１０に連結されている。この回転シャフト１０には、ステアリングホイール１に操舵反力を与えるための反力アクチュエータ１９が付設されている。具体的には、反力アクチュエータ１９は、回転シャフト１０と一体の出力シャフトを有するブラシレスモータ等の電動モータにより構成することができる。
回転シャフト１０のステアリングホイール１とは反対側の端部には、渦巻きばねなどからなる弾性部材３０が車体との間に結合されている。この弾性部材３０は、反力アクチュエータ１９がステアリングホイール１にトルクを付加していないときに、その弾性力によって、ステアリングホイール１を直進操舵位置に復帰させる。
【００１５】
ステアリングホイール１の操作入力値を検出するために、回転シャフト１０の回転角に対応する操作角δhを検出するための角度センサ１１が設けられている。また、回転シャフト１０には、ステアリングホイール１に加えられた操作トルクＴを検出するためのトルクセンサ１２が設けられている。
一方、操舵用アクチュエータ２の出力値を検出するための出力値センサとして、車輪４の転舵角δを検出する転舵角センサ１３が設けられている。この転舵角センサ１３は、操舵用アクチュエータ２によるステアリングロッド７の作動量を検出するポテンショメータなどで構成することができる。
【００１６】
角度センサ１１、トルクセンサ１２および転舵角センサ１３は、コンピュータを含むステアリング系制御装置２０（舵取り制御部）に接続されている。この制御装置２０には、さらに、車両の横加速度Ｇyを検出するための横加速度センサ１５と、車両のヨーレートγを検出するヨーレートセンサ１６と、車速Ｖを検出する速度センサ１４とが接続されている。なお、横加速度Ｇyおよびヨーレートγに相関する変量として、操作角δhと車速Ｖ以外に、たとえば、車輪速を検出するセンサを制御装置２０に接続してもよい。
【００１７】
制御装置２０は、駆動回路２２，２３を介して操舵用アクチュエータ２と反力アクチュエータ１９とを制御する。
図２は、制御装置２０の操舵用アクチュエータ２の制御に関する制御内容を説明するためのブロック図である。制御装置２０は、コンピュータによるプログラム処理によって、図２に示された各機能部の動作を実現する。
具体的に説明すると、制御装置２０は、車両運動モデルに基づいて、操作角δhに対応した規範の横加速度およびヨーレートである目標横加速度Ｇy*および目標ヨーレートγ*を演算する目標値演算部２５と、操作角δhを適切な制御用操舵角Ｃ(s)・δhに変換する舵角変換部２６と、車両の走行状態が緊急状態、直進状態および旋回状態のいずれに該当するかを判別するための走行状態判別部２７と、操舵用アクチュエータ２を制御するための目標転舵角δ*を演算する目標転舵角演算部２８とを有している。
【００１８】
目標転舵角演算部２８は、目標値演算部２５によって演算された目標横加速度Ｇy*および目標ヨーレートγ*、横加速度センサ１５によって検出された車両の実際の横加速度Ｇy、ヨーレートセンサ１６によって検出された車両の実際のヨーレートγ、ならびに速度センサ１４によって検出された車速Ｖに基づいて、制御用操舵角Ｃ(s)・δhに対応した適切な目標転舵角δ*を求める。この目標転舵角δ*に基づいて操舵用アクチュエータ２がフィードバック制御されることにより、車両５０（具体的には車輪４）が適切に転舵され、車両５０の操向制御が行われる。
【００１９】
舵角変換部２６は、走行状態判別部２７の判別結果に応じて、横加速度Ｇyおよびヨーレートγがそれぞれの目標値Ｇy*，γ*に対して位相進み、位相遅れまたはニュートラルバランスとなるように制御する。具体的には、伝達関数Ｃ(s)を走行状態判別部２７による判別結果に基づいて適切に変更することにより、走行状態に適応した姿勢制御が実現される。
伝達関数Ｃ(s)には、たとえば、下記第(1)式を採用することができる。
【００２０】
【数１】
0003699870.tif 000002
【００２１】
横加速度Ｇyおよびヨーレートγを各目標値Ｇy*，γ*に対して位相進みとなるようにする場合には、係数α，βは、たとえば、下記第(2)式のように設定される。
０＜α＜１          β＝１    ・・・・・・(2)
また、横加速度Ｇyおよびヨーレートγを各目標値Ｇy*，γ*に対して位相遅れとなるようにする場合には、係数α，βは、たとえば、下記第(3)式のように設定される。
【００２２】
α＝１          ０＜β＜１    ・・・・・・(3)
さらに、横加速度Ｇyおよびヨーレートγを各目標値Ｇy*，γ*に対して位相進みまたは位相遅れのないニュートラルバランスとする場合には、たとえば、下記第(4)式のように係数α，βが設定される。
α＝１              β＝１    ・・・・・・(4)
そこで、舵角変換部２６は、走行状態判別部２７によって、車両の走行状態が、緊急操舵のためにステアリングホイール１が操作されたことに対応する緊急状態に該当すると判別された場合には、係数α，βを前記第(2)式のように設定した前記第(1)式の伝達関数Ｃ(s)を用いて操作角δhを変換して、制御用操舵角Ｃ(s)・δhを求める。これにより、横加速度Ｇyおよびヨーレートγの制御（姿勢制御）の応答性が向上されるので、ステアリングホイール１の操作に応じて、速やかな転舵が達成される。
【００２３】
また、舵角変換部２６は、走行状態判別部２７によって、車両５０の走行状態が直進状態に該当すると判別された場合には、係数α，βを前記第(3)式のように設定した前記第(1)式の伝達関数Ｃ(s)を用いて操作角δhを変換し、制御用操舵角Ｃ(s)・δhを求める。これにより、横加速度Ｇyおよびヨーレートγの制御の応答性が鈍化され、代わって、剛性感が増大することになる。したがって、直進時には、十分な剛性感を得ることができるので、ふらつきを無くすことができる。
【００２４】
さらに、舵角変換部２６は、走行状態判別部２７によって、車両の走行状態が旋回状態に該当すると判別された場合には、係数α，βを前記第(4)式のように設定した前記第(1)式の伝達関数Ｃ(s)を用いて操作角δhを変換し、制御用操舵角Ｃ(s)・δhを求める。これにより、横加速度Ｇyおよびヨーレートγは、ステアリングホイール１の操作に良好に追従するようになり、いわゆる素直さが向上されることになる。これにより、旋回時における操向性が良くなり、運転者の意思どおりに車両の進行方向を変化させることができる。
【００２５】
走行状態判別部２７は、たとえば、操作角δhまたは転舵角δ、操作トルクＴおよび車両の挙動変化（横加速度Ｇyやヨーレートγ）に基づいて車両の走行状態を判別する。このような走行状態の判別の具体例は、たとえば、特開平９−３０１２１３号公報に開示されており、この公開公報に開示されている処理を走行状態判別部２７の機能の実現のために利用することができる。
以上のようにこの実施形態によれば、車両の走行状態が緊急状態、直進状態および旋回状態のいずれに該当するかを判別し、その判別結果に応じて、横方向加速度Ｇyおよびヨーレートγが、位相進み、位相遅れまたはニュートラルバランスとなるように舵取り制御（操舵用アクチュエータ２の制御）を行うようにしている。これにより、それぞれの走行状態に対して車両の運動特性を最適化することができるので、車両の総合的な運動特性を向上することができ、応答性、剛性感および素直さといった全ての指標を十分に満足することが可能となる。
【００２６】
なお、この発明は、上述の実施形態以外の形態で実施することも可能である。たとえば、上述の第(1)式に示した伝達関数Ｃ(s)は一例であり、他にも、たとえば、下記第(5)式に示す伝達関数Ｃ(s)を採用してもよい。
【００２７】
【数２】
0003699870.tif 000003
【００２８】
この場合に、時定数Ｔ1，Ｔ2，Ｔ3を適切に設定することによって、横方向加速度Ｇyおよびヨーレートγが、位相進み、位相遅れまたはニュートラルバランスとなるような舵取り制御を実現できる。より具体的には、時定数Ｔ1を大きく設定することによって、位相進みの傾向とすることができ、時定数Ｔ3を大きく設定することによって、位相遅れの傾向とすることができる。
さらに、上述の実施形態では、四輪車両の２つの車輪が舵取り車輪として転舵可能な場合について説明したが、四輪操舵システムにこの発明を適用してもよい。この場合には、車両の走行状態が旋回状態であると判別されたときに、旋回開始当初の期間には、横方向加速度Ｇyを位相進みの状態とし、ヨーレートγはニュートラルバランスの状態とし、その後に、横方向加速度Ｇyおよびヨーレートγの両方がニュートラルバランスの状態に移行するように、前車輪および後車輪の個別転舵制御が行われることが好ましい。これにより、車両がスピンする傾向を抑制しつつ、旋回操舵当初の応答性を向上できるので、操向性能をさらに向上できる。
【００２９】
また、上述の実施形態では、操作手段としてステアリングホイール１が用いられる例について説明したが、この他にも、レバーやペダルなどの他の操作手段が用いられてもよい。
これらの他にも、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の基本的な構成を説明するための概念図である。
【図２】舵取り制御の内容を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
１    ステアリングホイール
２    操舵用アクチュエータ
１１    角度センサ
１２    トルクセンサ
１３    転舵角センサ
１４    速度センサ
１５    横加速度センサ
１６    ヨーレートセンサ
２０    ステアリング系制御装置
２５    目標値演算部
２６    舵角変換部
２７    走行状態判別部
２８    目標転舵角演算部
【図１】
0003699870.tif 000004
【図２】
0003699870.tif 000005