(57)【要約】【課題】運転者が複雑な操作をすることなく、車両の進行方向と車体の向きを個別に制御できる。【解決手段】コントローラ１０は、旋回時の走行軌道上に自車両が将来通過する目標点を設定し、その設定した目標点に車両が向くように、現在の走行方向に対する車体角を決定する目標車体角決定部１２と、目標車体角決定部１２が決定した車体角となるように車輪を転舵制御する転舵制御部１３とを備える。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
旋回時の走行軌道上に自車両が将来通過する目標点を設定する目標点設定手段と、
前記目標点設定手段が設定した目標点に車両が向くように、現在の走行方向に対する車体角を決定する車体角決定手段と、
前記車体角決定手段が決定した車体角となるように車輪を転舵制御する転舵制御手段と、
を備えることを特徴とする車両用操向装置。
【請求項２】
前記目標点設定手段は、前記走行軌道上における所定時間経過後の通過点を前記目標点として設定することを特徴とする請求項１記載の車両用操向装置。
【請求項３】
前記所定時間が車速に基づいて決定されていることを特徴とする請求項２記載の車両用操向装置。
【請求項４】
前記目標点設定手段は、前記走行軌道上において現在走行位置から所定距離にある通過予定位置を前記目標点として設定することを特徴とする請求項１記載の車両用操向装置。
【請求項５】
前記所定距離が車速に基づいて決定されていることを特徴とする請求項４記載の車両用操向装置。
【請求項６】
前記走行軌道を現在のステアリング操舵角及び車速に基づいて決定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の車両用操向装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の方向変換を行う車両用操向装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の方向変換を行うには、一般的には後輪舵角を制御することで可能となる。車両の後輪舵角制御装置は既知であり、例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３等に開示されている。
例えば、特許文献３では、走行中の車両の進行方向を変えずに車体の向きを変えたり、車体の向きを変えずに車両の進行方向を変えたりする等、車両の進行方向とは独立の任意の方向に車体を向けることができる操舵装置が提案されている。具体的には、ステアリングホイールにより車両の進行方向を操作し、方向指示操作子によって車体の向きを操作する方式が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−３４７９２号公報
【特許文献２】特開２００１−３３４９５１号公報
【特許文献３】特開２０００−４３７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記特許文献３に開示されている装置では、車両の進行方向を変えながら車体の向きも変えたい場合、ステアリングホイールと方向指示操作子とを同時に操作する必要がある。しかし、２つの操作を同時に行なうということは一般的に難しい。戦闘車両であれば、十分な訓練をうけた運転者が車両を操作するから可能であろうが、普通車両の場合はごく一般の運転者が運転をするため、この２つの操作を同時に行なって、毎回同じ車両の動きを再現するのは困難である。
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、運転者が複雑な操作をすることなく、車両の進行方向と車体の向きを個別に制御できる車両操舵装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る車両用操向装置は、旋回時の走行軌道上に自車両が将来通過する目標点を目標点設定手段により設定し、前記目標点設定手段が設定した目標点に車両が向くように、現在の走行方向に対する車体角を車体角決定手段により決定し、前記車体角決定手段が決定した車体角となるように車輪を転舵制御手段により転舵制御する。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、車輪を転舵制御するだけで運転者が複雑な操作をすることなく、旋回時の走行軌道上で自車両が将来通過する目標点に車両が向くようになり、車両の進行方向と車体の向きを個別に制御することが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という。）を図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態は、本発明を前輪と後輪とを転舵できる車両に適用したものである。本実施形態の車両では、車体の向きを所定の向きとしつつも、旋回時に車両が通常描く走行軌道を走行することができるようになっている。
【０００７】
（１）車両の動作
先ず、本実施形態の車両の動作を説明する。
例えば、前輪と後輪とを転舵できる車両としては、運転者が操作するステアリングホイールの角度と前輪の転舵輪の転舵角を変化させることができるフロントアクティブステアシステムと後輪操舵システムとを備えた車両や、いわゆるステアバイワイヤシステムを備えた車両が挙げられる。
このような車両により、前輪と後輪とを転舵して、車輪の転舵角により幾何学的に決まる旋回中心の位置を中心に車両が旋回する領域では、その旋回中心の位置を任意に設定して、車体の向きを設定し、或いは車輪がスリップ角に応じた横力を発生している場合には、車輪が発生する横力の前後配分を任意に操作することにより、車両に加わる横方向の力とヨーモーメントとを独立に調整することで車体の向きを設定する。
【０００８】
図１は旋回時の車体の向きと車輪の向きとの関係を示す。
同図（ａ）は、前輪２ＦＬ，２ＦＲのみが転舵できる車両１を示す。図中、Ｖは車両１の速度を示す。同図（ｂ）は、前輪２ＦＬ，２ＦＲと後輪２ＲＬ，２ＲＲとを転舵できる車両１を示し、速度Ｖを維持しつつ、その車体の向きを同図（ａ）に示す車両の向きから角度αだけ変えている状態を示す。このように、前輪２ＦＬ，２ＦＲと後輪２ＲＬ，２ＲＲとを転舵できることで、旋回運動を維持しつつも、車体の向きを変えることができるようになる。
【０００９】
例えば、旋回運動が定常的な運動であれば、車体の向きを角度αだけ変えた状態となるには、後輪２ＲＬ，２ＲＲをほぼ角度αだけ転舵し、前輪２ＦＬ，２ＦＲを重量配分にもよるがほぼ角度αだけ切り戻す状態とすれば、車両１の運動（車両重心点についての運動）が同じでも、車体の角度（向き）が異なる状態となる。
また、旋回運動が過渡的なものでも、前輪２ＦＬ，２ＦＲと後輪２ＲＬ，２ＲＲとを転舵すれば横力とヨーモーメントとを独立して調整できるから、車両１の運動（車両重心点についての運動）が同じでも、車体の向きを変化させることができる。
【００１０】
（２）目標車体角の設定
図２は、旋回車両の走行状態を車両上方から見た図である。簡単のため、車輪の転舵角により幾何学的に決まる旋回中心の位置を中心に車両が旋回する場合について説明する。
車両１は、後輪を転舵しない状態にあり、後軸の延長上の点Ｐを中心に旋回運動している。車両１´は、本発明を適用した車両であり、後輪を転舵することで車体の向きが変わっている。
車両１´は、前記点Ｐを中心とする走行軌道上を走行し、目標到達点Ｑを通過するように旋回走行しつつも、現在走行位置Ｏと前記点Ｐとを結ぶ線に対して垂直な姿勢となっている車両１に対して目標の車体の角度（以下、目標車体角という。）αだけ傾いている。ここで、目標車体角αを次のように算出する。
【００１１】
先ず、車速Ｖにおいて、あるステアリングホイール操舵角に応じて旋回している場合、そのステアリングホイール操舵角から車両運動としての（重心点の）旋回半径Ｒを求める。次に、車速と旋回半径Ｒから前記点Ｐについて、車両重心点の運動（旋回運動）としてのヨーレイトγを算出し、そのヨーレイトγに所定時間Δｔを乗じて目標到達点Ｑを設定する。そして、その目標到達点Ｑの方向に車体が向くような目標車体角αを算出する。
【００１２】
ここで、前記所定時間Δｔは予め設定されている値であり、車速Ｖの関数として設定しておくことができる。図３に、車速Ｖと所定時間Δｔとの関係を示す特性図の一例を示す。
この特性図では、車速が０から車速Ｖ１までの低速域では、車速Ｖに関係なく所定時間Δｔを０にする。これにより、目標到達点Ｑが現在走行位置になるから、後輪の舵角は０になる。
【００１３】
また、車速が車速Ｖ１から車速Ｖ２までの中速域では、車速Ｖとともに所定時間Δｔを比例的に増加させ、ある車速Ｖ以降で所定時間Δｔを一定に維持する。これにより、目標到達点Ｑが現在走行位置でなくなるので、後輪の舵角も０でなくなり、この結果、車体は旋回内向きになる、すなわち目標車体角がある値をもつようになる。
また、車速が車速Ｖ２以降の高速域では、車速Ｖに増加に対して所定時間Δｔを減少させ、最終的には０に設定する。これにより、車速Ｖが大きくなるほど目標到達点Ｑが車両近くに設定されるようになり、この結果、旋回内向きになる目標車体角は小さくなる。なお、過渡的には所定時間Δｔを負値にすること（車体を旋回外側を向けること）もありうる。
【００１４】
このように車速Ｖに応じて所定時間Δｔを設定する。
また、前記目標車体角αは、後輪を転舵しないで車両が定常的な旋回状態している場合において、車体の角度が角度０となっている場合の旋回中心点Ｐ'と車体の角度が角度αとなっている場合の旋回中心点Ｐとがなす角度と一致する。
ここで、この目標車体角αは、車両が通常の走行軌道上を走行することを前提として決定されるものであり、これについて次に説明する。
【００１５】
今、車両重心点が地面座標上を旋回移動するような車両の動きを「公転」、その公転に加えてさらに車両重心点回りに車体が回転するような車両の動きを「自転」と呼ぶことにすると、直進状態から定常的な旋回状態に移る過程で車体の向きを変えようとする場合には通常の旋回運動である公転に加え、車体の向きを変えようとするための自転の動きが必要となる。
【００１６】
ここで、図４に示すように、旋回中心点をＰ'からＰに徐々に移動させれば車両が自転するようになる。しかし、そのように旋回中心点を移動させると、公転のヨーレイトが減少するので、公転に着目した場合、旋回外側に膨らんで車両が走行するようになる。
このようなことから、旋回外側に膨らんで車両が走行してしまうことを避けるために、ヨーレイトを補う必要がある。例えば、下記（１）式で示す旋回半径ｒとなるように各輪の転舵角を制御することでヨーレイトを補うことが可能になる。
ｒ＝１／（１／Ｒ＋１／ｖ・ｄα／ｄｔ）  ・・・（１）
ここで、Ｒは希望する公転の半径（旋回半径）であり、Ｖは車速であり、ｄα／ｄｔは旋回中心の移動角速度である。
ここで、図５は、ステアリングホイールにランプ的な角度入力を加えた場合のヨーレイトと車体角との関係を示す。
【００１７】
同図（ａ）は、前輪のみを転舵したときのものであり、同図（ｂ）は、本発明を適用した場合で、車体の向きを変えた（車体角を付与した）ときのものである。車体角は、所定時間Δｔを例えば０．２秒として得ている。また、同図（ｂ）の結果は、前記（１）式を用いることで、旋回外側に膨らんで車両が走行しないように、公転軌道上を車両重心点が通るようにして得た結果である。
【００１８】
同図（ａ）と同図（ｂ）とを比較すると、操舵中のヨーレイトは同図（ｂ）の方が大きくなっている。これは自転に必要なヨーレイトを公転分のヨーレイトに上乗せしたからである。この結果から、定常的な旋回運動を維持しつつも、車両に所定の車体角を発生させることができるのがわかる。ここで、車体角は例えば約２．５°である。
【００１９】
（３）車両の公転運動（車両の旋回運動）の説明
次に車両の公転運動（車両の旋回運動）を説明する。
公転運動に関しては、車体角を付与する、しないにかかわらず、運転者の操舵入力に対して同じになるようにしている。
すなわち、車輪の転舵角に応じた幾何学的な運動をする速度域では、ステアリング操舵角で車両の公転運動の旋回半径を規定し、そのときの車速と旋回半径から公転のヨーレイトγを求める。そして、その公転のヨーレイトγに所定時間Δｔを乗じて目標車体角αや目標到達点Ｑを求める。
【００２０】
また、車輪のスリップ角に応じて発生する横力により車両が運動する速度域では、ステアリング操舵角と車速から公転のヨーレイトγを決める一方で、車速との関係から公転の旋回半径を決める。そして、公転のヨーレイトγに所定時間Δｔを乗じて目標車体角αや目標到達点Ｑを求める。
このように目標車体角αや目標到達点Ｑを求める一方で、現在のステアリング操舵角と車速に基づいて、車体角付与の有無にかかわらず車両の公転運動を同じにしている。
【００２１】
ここで、図６は一連の処理の流れを示す。
先ず、ステップＳ１において、車両の公転運動（車両の旋回運動）をするための旋回半径Ｒを決定する。続いてステップＳ２において、目標車体角αを決定する。そして、ステップＳ３において、旋回半径Ｒで車両が公転運動しつつも、車体の向きが目標車体角αとなるように、各輪の転舵角を制御する。
【００２２】
図７及び図８は、前記図６のような処理を実現可能とする車両の構成の一例を示す。
車両１は、図７に示すように、各輪の転舵角を制御するコントローラ１０を備えている。コントローラ１０は、図８に示すように、前記ステップＳ１において旋回半径Ｒを決定する旋回半径決定部１１と、前記ステップＳ２において目標車体角を決定する目標車体角決定部１２と、前記ステップＳ３において各輪の転舵角を制御する転舵制御部１３とを備えている。なお、この構成に限定されないことはいうまでもない。
【００２３】
（４）効果
次に本実施形態における効果を説明する。
前述したように、目標車体角を決めて、車体の向きがその目標車体角となるように前輪と後輪とを転舵制御することで、車両が走行軌道上を走行しつつも、車体が旋回内向きになるようにしている。すなわち、運転者に複雑な操作をさせることなく、車両の進行方向と車体の向きを個別に制御することが実現されている。
これにより、旋回走行で通過する地点に車体が向くようになるので、良好な視界を提供し、運転者に運転の気持ちよさを与えることができる。すなわち、車体が旋回向きになるため、運転者自身も旋回内側を向いくようになるので、旋回前方の見通しが良くなる。また、車体が旋回内向きになるため、前照灯の照射方向がより旋回方向の前方に向くようになり、夜間において旋回前方の見通しが良くなる。
【００２４】
また、前述したように、所定時間Δｔに応じて車体の向きを設定している。ここで、所定時間Δｔが車速の関数になっているから、車速に応じて車体の向きを設定していることになる。これにより、車両の発進から停止まで、設定する車体の向きに連続性を持たせることができる。
例えば、前記特許文献２に記載の技術では、前輪と後輪とを逆相に転舵した場合、車両後端部の張り出しが大きくなるため、車両の移動量に応じて旋回中心を移動させることで、車両後端部の張り出しを抑えつつ、最終的には旋回中心を前軸と後軸の中央を通る線上として内輪差のない状態にすることが提案されている。
【００２５】
しかし、この技術の場合、内輪差のない状態で車両が停止するに至った場合、停止直前の車両の動き（内輪差なし）と再発進時の動き（後端部の張り出しなし）とに違いが発生してしまい運転者に違和感を与えてしまう可能性がある。
これに対して、本発明を適用した場合、車速が小さくなっていくとヨーレイトγも小さくなっていき、車速が０になれば、γも０となり現在走行位置と目標到達点Ｑとが一致し目標車体角αも０となる。これにより、再発進時も目標車体角αは０から始まる。このようにすることで、停止の前後で車体の向きに連続性を持たせることができるようになり、運転者に違和感を与えてしまうのを防止できる。
【００２６】
また、前述したように、所定時間Δｔを車速Ｖに応じて変化させている（図３参照）。
すなわち、車速が０から車速Ｖ１までの低速域では、車速Ｖに関係なく所定時間Δｔを０にしている。これにより、目標到達点Ｑが現在走行位置になるから、後輪の舵角は０になる。このようにすることで、車速が０から車速Ｖ１までの低速域で、車両の後部の張り出しを抑えたり、幅寄せに最適な車両姿勢にしたりすることができる。
【００２７】
また、車速が車速Ｖ１から車速Ｖ２までの中速域では、車速Ｖとともに所定時間Δｔを比例的に増加させ、ある車速Ｖ以降で所定時間Δｔを一定に維持している。これにより、目標到達点Ｑが現在走行位置でなくなるので、後輪の舵角も０でなくなり、この結果、車体は旋回内向きになる。例えば、一般道において交差点を曲がるといった操舵操作により主に車両の向きを変えることが求められることが多く、車速が車速Ｖ１から車速Ｖ２までの中速域では、このような要求に対応することができる。
【００２８】
また、車速が車速Ｖ２以降の高速域では、車速Ｖに増加に対して所定時間Δｔを減少させる。これにより、車速Ｖが大きくなるほど目標到達点Ｑが現在の走行位置の近くに設定されるようになり、この結果、目標車体角αは小さくなる。例えば、高速道での車線変更では車体の向きを変えるというよりは車体の向きを変えずに横方向に移動することが求められたり、車体角がつくと横速度が増加し運転者に違和感を与えるため、車体角がつかないようにすることが求められたりしている。これに対して、車速が車速Ｖ２以降の高速域では、これらの要求に対応することができる。
【００２９】
以上、本発明の実施形態を説明した。しかし、本発明は、前記実施形態として実現されることに限定されるものではない。
すなわち、前記実施形態では、所定時間Δｔを基準に目標到達点Ｑを決定している。しかし、これに限定されるものではない。例えば、旋回運動における走行軌道を基準にした距離に基づいて目標到達点Ｑを決定して、その目標到達点Ｑに向くように目標車体角を決定してもよい。ここで、旋回運動における走行軌道上での距離を基準とした目標到達点Ｑの決定について図２を用いて説明する。例えば、点Ｐを中心として旋回する際の円弧上の所定距離（弧ＯＱの長さ）にある目標到達点Ｑを決定する。例えば、自動運転車両等で規定の軌道を進むようにカメラ画像をもとに運行している場合には、所定距離先の目標位置を画像で追尾しやすいようにする場合などで好都合な場合がある。すなわち、車両に固定されたカメラで画像を撮像している場合、旋回半径が小さいと所定距離先の目標位置がカメラの画角から外れてしまうようなことがあるが、これを防止する、あるいはその発生頻度を減少させることができる。
【００３０】
なお、前記実施形態の説明において、目標車体角決定部１２は、旋回時の走行軌道上に自車両が将来通過する目標点を設定する目標点設定手段及び目標点設定手段が設定した目標点に車両が向くように、現在の走行方向に対する車体角を決定する車体角決定手段を実現しており、転舵制御部１３は、車体角決定手段が決定した車体角となるように車輪を転舵制御する転舵制御手段を実現している。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】旋回状態における車体の向きと車輪の様子を示す図である。
【図２】旋回している車両の走行状態を車両上方から見た図である。
【図３】車速Ｖと所定時間Δｔとの関係を示す特性図である。
【図４】ヨーレイトの算出の説明に使用した図である。
【図５】ステアリングホイールにランプ的な入力を加えた場合のヨーレイトと車体角との関係を示す特性図である。
【図６】本実施形態の車両の一連の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】本実施形態の車両構成の一例を示す図である。
【図８】本実施形態の車両のコントローラの構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  車両
１０  コントローラ
１１  旋回半径決定部
１２  目標車体角決定部
１３  転舵制御部
【図１】
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【図２】
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【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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【図８】
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