(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車速を検出する車速検出手段と、
制動力を検出する制動力検出手段と、
ステアリング軸に入力した操舵操作における操舵角を検出する操舵角検出手段と、
前記ステアリング軸に入力した操舵操作に対し、操舵補助力の付与あるいは操向輪の操舵角制御を行う電動モータと、
前記ステアリング軸の回転を前記操向輪に伝達するステアリングラック部材と、
前記操向輪の操舵において発生する路面と前記操向輪との摩擦エネルギを算出する摩擦エネルギ算出手段と、
前記摩擦エネルギと前記操舵角とに基づいて操舵トルクあるいは前記ステアリングラック部材のラック軸力を推定する操舵力推定手段と、
前記操舵力推定手段が推定した前記操舵トルクあるいは前記ラック軸力に応じて、前記電動モータの駆動制御を行うモータ制御手段と、
を備え、
前記操舵力推定手段は、前記車速検出手段が検出した車速が設定した閾値以下のときに前記操舵トルクあるいは前記ラック軸力を推定し、前記制動力検出手段が検出した制動力が小さいほど、前記操舵トルクあるいは前記ラック軸力の値をより小さく推定することを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項２】
前記操向輪の操舵に伴う車体の上下方向の変位に基づくポテンシャルエネルギを算出するポテンシャルエネルギ算出手段を備え、
前記操舵力推定手段は、前記摩擦エネルギと前記操舵角と前記ポテンシャルエネルギとに基づいて前記操舵トルクあるいは前記ラック軸力を推定す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】
操舵操作を入力する入力側ステアリング軸と、前記操向輪を転舵させる出力側ステアリング軸とが機械的に分離した前記ステアリング軸を備え、前記モータ制御手段が、前記入力側ステアリング軸に入力した操舵操作に応じて、前記電動モータを駆動することにより、前記出力側ステアリング軸を回転させるステアバイワイヤシステムを有し、
前記操舵力推定手段は、前記入力側ステアリング軸に入力した前記操舵操作に対応して前記電動モータによって操向輪を操舵するとき前記操舵トルクあるいは前記ラック軸力を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用操舵装置。
【請求項４】
車速を検出する車速検出手段と、
制動力を検出する制動力検出手段と、
ステアリング軸に入力した操舵操作における操舵角を検出する操舵角検出手段と、
操向輪の操舵において発生する路面と前記操向輪との摩擦エネルギを算出する摩擦エネルギ算出手段と、
前記摩擦エネルギと前記操舵角とに基づいて操舵トルク、あるいは、前記ステアリング軸の回転を前記操向輪に伝達するステアリングラック部材のラック軸力を推定する操舵力推定手段と、
を備え、
前記操舵力推定手段は、前記車速検出手段が検出した車速が設定した閾値以下のときに前記操舵トルクあるいは前記ラック軸力を推定し、前記制動力検出手段が検出した制動力が小さいほど、前記操舵トルクあるいは前記ラック軸力の値をより小さく推定することを特徴とする操舵力推定装置。
【請求項５】
操向輪の操舵において発生する路面と前記操向輪との摩擦エネルギを算出し、車速が設定した閾値以下のときに、前記摩擦エネルギと操舵角とに基づいて、制動力が小さいほど推定される値が小さくなるように、操舵トルクあるいはステアリングラック部材のラック軸力を推定し、推定した前記操舵トルクあるいは前記ラック軸力に応じて、電動モータの駆動制御を行うことを特徴とする操舵制御方法。
【請求項６】
操向輪の操舵において発生する路面と前記操向輪との摩擦エネルギを算出し、車速が設定した閾値以下のときに、前記摩擦エネルギと操舵角とに基づいて、制動力が小さいほど推定される値が小さくなるように、操舵トルク、あるいは、前記ステアリング軸の回転を前記操向輪に伝達するステアリングラック部材のラック軸力を推定することを特徴とする操舵力推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の操舵を行う車両用操舵装置、操舵力推定装置、操舵制御方法および操舵力推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両用の操舵装置において、車輪を転舵するラック軸の軸力あるいは操舵トルクを推定する技術が知られている。
例えば、特許文献１に記載の技術では、電動モータによって操舵操作を補助する電動パワーステアリング装置において、トルクセンサの設置を不要とする目的で、ラック軸力を推定している。
【０００３】
なお、ラック軸力は、操舵トルクを推定することによって算出することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２６９２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ラック軸力あるいは操舵トルクを推定する従来の方法では、いわゆる線形二輪モデルの車両モデルに基づいてラック軸力等を推定している。
この場合、車両が停止している状態で転舵した状態や制動している状態等では、ラック軸力あるいは操舵トルクの推定精度が低下し、適切な操舵制御を行えない場合がある。
即ち、従来のラック軸力あるいは操舵トルクの推定を用いた操舵制御技術では、ラック軸力あるいは操舵トルクの推定精度に改善の余地があった。
【０００６】
本発明の課題は、操舵トルクあるいはラック軸力をより高精度に推定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するため、本発明に係る車両用操舵装置は、摩擦エネルギ算出手段によって、操向輪の操舵において発生する路面と操向輪との摩擦エネルギを算出し、車速が設定した閾値以下のときに、操舵力推定手段によって、摩擦エネルギと操舵角とに基づいて、制動力が小さいほど推定される値が小さくなるように、操舵トルクあるいはラック軸力を推定する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、操舵時における路面と操向輪との摩擦エネルギを算入して操舵トルクあるいはラック軸力を推定するため、操向輪のねじりに基づく力を含む操舵トルクあるいはラック軸力の推定値とすることができる。
したがって、操舵トルクあるいはラック軸力をより高精度に推定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る車両用操舵装置、操舵力推定装置、操舵制御方法および操舵力推定方法を適用した自動車１の構成を示す概略図である。
【図２】コントロール／駆動回路ユニット１５における操舵系統の制御機能を示すブロック図である。
【図３】コントロール／駆動回路ユニット１５が実行する操舵トルク推定処理を示すフローチャートである。
【図４】ステップＳ１において設定する車両パラメータを示す模式図である。
【図５】ステップＳ２において設定する座標系を示す模式図である。
【図６】タイヤ接地面の任意の点の変位（ｚ軸方向）を示す図である。
【図７】タイヤ接地面の任意の点の変位（ｘ軸方向）を示す図である。
【図８】タイヤ接地面の任意の点の変位（ｙ軸方向）を示す図である。
【図９】タイヤ接地面積の算出方法を示す模式図である。
【図１０】タイヤ接地面における接地荷重を示す模式図である。
【図１１】操舵時におけるタイヤ接地面形状の変化を示す模式図である。
【図１２】単位接地面積あたりの操舵に要する仕事量を示す模式図である。
【図１３】一輪分のねじりトルクを算出するモデルを示す模式図である。
【図１４】操舵においてキングピン軸周りに作用する力（左前輪の場合）を示す模式図である。
【図１５】二輪分のねじりトルクを算出するモデルを示す模式図である。
【図１６】摩擦ねじりトルク分および車体持ち上げトルク分のラック軸力を示す図である。
【図１７】ブレーキ圧と制動力係数τとの関係例を示す図である。
【図１８】操舵トルク推定処理によって算出したラック軸力Ｆ（推定値）と、操舵角との関係を示す図である。
【図１９】実車実験によって取得したラック軸力（実測値）と、操舵角との関係を示す図である。
【図２０】ステアバイワイヤ（ＳＢＷ）方式の車両用操舵装置１Ｂに本発明を適用した場合の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図を参照して本発明を適用した自動車の実施の形態を説明する。
（第１実施形態）
（構成）
図１は、本発明に係る車両用操舵装置、操舵力推定装置、操舵制御方法および操舵力推定方法を適用した自動車１の構成を示す概略図である。
図１において、自動車１は、車体１Ａと、ステアリングホイール２と、ステアリング軸３と、操舵角センサ４（操舵角検出手段）と、電動アシストモータ５（電動モータ）と、ピニオンギア６と、ステアリングラック部材７と、タイロッド８と、車輪９ＦＲ，９ＦＬ，９ＲＲ，９ＲＬと、ブレーキディスク１０と、ホイールシリンダ１１と、ブレーキ圧センサ１２（制動力検出手段）と、圧力制御ユニット１３と、車輪速センサ１４ＦＲ，１４ＦＬ，１４ＲＲ，１４ＲＬ（車速検出手段）と、コントロール／駆動回路ユニット１５とを備えている。
【００１１】
これらのうち、ステアリングホイール２、ステアリング軸３、操舵角センサ４、電動アシストモータ５、ピニオンギア６、ステアリングラック部材７、タイロッド８およびコントロール／駆動回路ユニット１５が本発明に係る車両用操舵装置１Ｂを構成している。また、操舵角センサ４およびコントロール／駆動回路ユニット１５が本発明に係る操舵力推定装置１Ｃを構成している。
【００１２】
ステアリングホイール２は、ステアリング軸３と一体に回転するよう構成され、運転者による操舵入力をステアリング軸３に伝達する。
ステアリング軸３は、ステアリングホイール２から入力された操舵入力（即ち回転動作）をピニオンギア６に伝達する。
操舵角センサ４は、ステアリング軸３の回転角度（即ち、運転者によるステアリングホイール２への操舵入力角度）を検出する。そして、操舵角センサ４は、検出したステアリング軸３の回転角度をコントロール／駆動回路ユニット１５に出力する。
【００１３】
電動アシストモータ５は、コントロール／駆動回路ユニット１５から入力する指令値に応じた駆動電流によって、操舵操作を補助するためのアシストトルクを発生する。即ち、ステアリング軸３には、運転者の操舵入力によるトルクと電動アシストモータ５によるアシストトルクとが加わり、これらを合計したトルクによって車輪９ＦＲ，９ＦＬ（操向輪）を転舵する。
【００１４】
ピニオンギア６は、ステアリングラック部材７と噛合しており、ステアリング軸３から入力した回転をステアリングラック部材７に伝達する。
ステアリングラック部材７は、ピニオンギア６と噛合する平歯を有し、ピニオンギア６の回転を車幅方向の直線運動に変換する。
タイロッド８は、ステアリングラック部材７の両端部と車輪９ＦＲ，９ＦＬのナックルアームとを、ボールジョイントを介してそれぞれ連結している。
【００１５】
車輪９ＦＲ，９ＦＬ，９ＲＲ，９ＲＬは、タイヤホイールにタイヤを取り付けて構成したものであり、それぞれサスペンション装置を介して車体１Ａと連結している。これらのうち、前輪（車輪９ＦＲ，９ＦＬ）は、タイロッド８によってナックルアームが揺動することにより、車体１Ａに対する車輪９ＦＲ，９ＦＬの向きが変化する。
ブレーキディスク１０は、車輪９ＦＲ，９ＦＬ，９ＲＲ，９ＲＬと一体に回転し、ホイールシリンダ１１の押圧力がブレーキパッドを押し当てると、その摩擦力によって制動力を発生する。
ホイールシリンダ１１は、各車輪に設置されたブレーキパッドを、ブレーキディスク１０に押し当てる押圧力を発生する。
【００１６】
ブレーキ圧センサ１２は、ホイールシリンダ１１がブレーキディスク１０に付与するブレーキ圧（具体的にはブレーキ液圧）を検出する。そして、ブレーキ圧センサ１２は、検出したブレーキ圧をコントロール／駆動回路ユニット１５に出力する。なお、本実施形態では、制動力に相当する物理量として、検出が容易なブレーキ圧を用いることとするが、制動力に相当する物理量を検出できれば、他のセンサを用いることもできる。
【００１７】
圧力制御ユニット１３は、コントロール／駆動回路ユニット１５の指示に従って、各車輪に設置したホイールシリンダ１１のブレーキ圧力を制御する。
車輪速センサ１４ＦＲ，１４ＦＬ，１４ＲＲ，１４ＲＬは、各車輪の回転速度を示すパルス信号を、コントロール／駆動回路ユニット１５に出力する。
コントロール／駆動回路ユニット１５は、自動車１全体を制御するものであり、操舵角センサ４から入力する操舵角、車輪速センサから入力する車輪の回転速度およびブレーキ圧センサ１２から入力するブレーキ圧に基づいて、各種制御信号を生成する。例えば、コントロール／駆動回路ユニット１５は、操舵角センサ４から入力する操舵角および車輪速センサから入力する車輪の回転速度を基に、後述する操舵トルク推定処理を実行し、操舵トルクを算出する。また、コントロール／駆動回路ユニット１５は、算出した操舵トルクをブレーキの作動状態に応じて補正し、補正した操舵トルクの推定値を基に、電動アシストモータ５に対する指令値（操舵アシストトルクの指令値）を出力する。
【００１８】
図２は、コントロール／駆動回路ユニット１５における操舵系統の制御機能を示すブロック図である。
図２において、コントロール／駆動回路ユニット１５は、操舵トルク推定部１１０（操舵力推定手段）と、ブレーキ作動判定部１２０と、アシストトルク制御部１３０と、減算器１４０と、ＰＷＭ制御部１５０と、電流検出回路１６０と、モータ駆動回路１７０とを備えている。なお、アシストトルク制御部１３０、減算器１４０、ＰＷＭ制御部１５０、電流検出回路１６０およびモータ駆動回路１７０がモータ制御手段を構成している。
【００１９】
操舵トルク推定部１１０には、車輪速センサ１４ＦＲ，１４ＦＬから車輪速（車輪の回転速度を示すパルス信号）、操舵角センサ４から操舵入力角度、ブレーキ作動判定部１２０からブレーキの作動の有無および各車輪の制動状態を示す各信号が入力する。
そして、操舵トルク推定部１１０は、後述する操舵トルク推定処理を実行することにより、操舵トルクを推定する。
【００２０】
なお、操舵トルク推定部１１０は、操舵トルク推定処理を実行することによって実現する摩擦ねじりトルク算出部１１０ａ（摩擦エネルギ算出手段）および車体持ち上げトルク算出部１１０ｂ（ポテンシャルエネルギ算出手段）を有している。
摩擦ねじりトルク算出部１１０ａは、操舵時に発生するタイヤと路面との摩擦によるねじりトルクを算出する。
【００２１】
車体持ち上げトルク算出部１１０ｂは、操舵時に発生する車体１Ａの上下方向の変位による持ち上げトルクを算出する。
ブレーキ作動判定部１２０は、ブレーキ圧センサ１２から入力するブレーキ圧を基に、ブレーキ踏力が発生しているか否か、即ち、ブレーキの作動の有無を判定し、判定結果および各車輪の制動状態を操舵トルク推定部１１０に出力する。
【００２２】
アシストトルク制御部１３０は、操舵トルク推定部１１０が推定した操舵トルクの推定値を基に、操舵トルクと操舵アシストトルクとの関係を定義したマップを参照して、電動アシストモータ５における操舵アシストトルクの指令値を算出する。
減算器１４０は、アシストトルク制御部１３０が算出した操舵アシストトルクの指令値から、電流検出回路１６０が検出した操舵アシストトルク（現在値）を減算し、ＰＷＭ制御部１５０に出力する。
【００２３】
ＰＷＭ制御部１５０は、減算器１４０から入力する操舵アシストトルクの減算値（指令値と現在値の偏差）を基に、電動アシストモータ５の駆動信号（ＰＷＭ信号）を生成する。具体的には、ＰＷＭ制御部１５０は、減算器１４０から入力する操舵アシストトルクの減算値がゼロとなるようにフィードバック制御する。
電流検出回路１６０は、モータ駆動回路１７０が電動アシストモータ５に入力する駆動電流を検出し、アシストトルク（現在値）に変換して減算器１４０に出力する。
モータ駆動回路１７０は、ＰＷＭ制御部１５０から入力する電動アシストモータ５の駆動信号を基に駆動電流を生成し、電動アシストモータ５に出力する。
【００２４】
（操舵トルク推定処理）
次に、コントロール／駆動回路ユニット１５が実行する操舵トルク推定処理について説明する。以下で説明する操舵トルク推定処理は、本発明に係る操舵制御方法および操舵力推定方法を実現するものである。
なお、以下の説明においては、多自由度のマルチボディダイナミクスによって車両を取り扱うため、空間内における物体の姿勢の記載方法および用語の定義については、「ロボティクス機構・力学・制御」（John J．Craig 著、三浦宏文・下山勲 訳、共立出版、１９９１年発行）に準ずるものとする。
【００２５】
図３は、コントロール／駆動回路ユニット１５が実行する操舵トルク推定処理を示すフローチャートである。
コントロール／駆動回路ユニット１５は、イグニションオンと共に操舵トルク推定処理を実行する。
操舵トルク推定処理を開始すると、コントロール／駆動回路ユニット１５は、車両パラメータを設定する（ステップＳ１）。
【００２６】
図４は、ステップＳ１において設定する車両パラメータを示す模式図である。
図４に示すように、ステップＳ１において、コントロール／駆動回路ユニット１５は、車両の前軸荷重ｍｆ（左前輪はｍｆｌ、右前輪はｍｆｒと表す）、トレッドｌｅ、ホイールセンタ（Ｗ／Ｃ）の高さＷｚ、タイヤ幅ｔｗ、タイヤ半径ｔｒ、サスペンションの最大ラックストローク量ｒｓｍａｘ、初期キャンバ角φｘ、初期キャスタ角φｙ、スクラブ半径Ｐｋｐｙ、キャスタトレイルＰｋｐｘ、タイヤの摩擦係数μ（ここでは固定値とする）を設定する。これらの車両パラメータは、車両の諸元等に基づいて予め把握することができる。なお、図４中のＦはラック軸力、ｌｉは単位接地面の移動距離、Ｔはキングピン軸周りのトルク、ｄｚはホイールセンタの上下変位である。
【００２７】
次に、コントロール／駆動回路ユニット１５は、キングピン（Ｋ／Ｐ）軸を基準とした座標系の設定を行う（ステップＳ２）。
図５は、ステップＳ２において設定する座標系を示す模式図である。
なお、図５においては、左前輪のキングピン軸について設定する座標系を例として示している。
図５に示すように、ステップＳ２では、車両前後方向前方をｘ軸の正方向、車幅方向外方をｙ軸の正方向、車両上下方向上方をｚ軸の正方向、車両前軸の中心を原点とする３次元のｘｙｚ座標（基準座標｛Ｏ｝）を設定する。
ここで、図５においては、車両を基準とする座標系｛Ｏ｝と平行な座標であってキングピン軸と路面との交点を原点とする座標系｛Ａ｝、座標系｛Ａ｝と車両前方を同一軸としＺ軸がキングピン軸と同一の方向となるように姿勢変換した座標系｛Ｋ｝、座標系｛Ｏ｝と平行な座標であってホイールセンタを原点として設定した座標系｛Ｃ｝を併せて設定する。
【００２８】
図５に示す座標系において、キングピン傾角をφｋｐｘ、キャスタ角をΦｋｐｙ、キングピン軸周りの回転角をΦｋｐｚとする。また、キャスタトレイルＰｋｐｘ、スクラブ半径Ｐｋｐｙとすると、タイヤ接地面の任意の点Ｋ（接地面と接触するタイヤの任意の点）からキングピン軸と路面との交点までのベクトルＰＫは次式（１）のように定義することができる。
ＣＰＫ＝［Ｐｋｐｘ，Ｐｋｐｙ，０］Ｃ                        （１）
ただし、ＰＫの添え字Ｃは、座標系｛Ｃ｝におけるベクトルであることを示す。
また、絶対座標｛Ｋ｝を基準としたタイヤ姿勢を示す回転行列Ｒは、次式（２）のように表すことができる。
ＫＲ＝ＲＸ（Φｋｐｙ）ＲＹ（Φｋｐｘ）ＲＺ（Φｋｐｚ）（ＲＺ（０）ＲＹ（−Φｋｐｙ）ＲＸ（−Φｋｐｘ））                                        （２）
ただし、（２）式に示す回転行列Ｒの各係数は、タイヤを据え切りした時の接地面形状の変化を計測することによって実験により求めたり、シミュレーションによって求めたりすることができる。
【００２９】
したがって、任意のベクトルＣＰＫがキングピン軸周りにΦｋｐｚ回転したときの絶対座標を基準としたベクトルは、ＫＲＣＰＫで表すことができる。
（２）式に、操舵角を基に算出したキングピン軸の回転角および車両パラメータを代入すると、タイヤ接地面の任意の点のｘ、ｙ、ｚ軸方向の変位を求めることができる。
【００３０】
図６〜８は、タイヤ接地面の任意の点の変位を示す図であり、図６はｚ軸方向の変位、図７はｘ軸方向の変位、図８はｙ軸方向の変位を示している。なお、図６〜８においては、トー角の変化に対応する各方向の変位を示している。
なお、図６〜８において、横軸に示すトー角は、基準座標から見たＺ軸方向の回転角である。
【００３１】
次に、コントロール／駆動回路ユニット１５は、操舵中立位置でのタイヤ接地面積およびタイヤ姿勢の算出を行う（ステップＳ３）。
ステップＳ３において、タイヤ接地面積およびタイヤ姿勢は車両パラメータから算出することができる。
【００３２】
図９は、タイヤ接地面積の算出方法を示す模式図である。
図９においては、初期キャンバ角を０とした場合のタイヤ接地面積を算出する方法を例として示している。
図９に示すように、タイヤ半径ｔｒおよびホイールセンタ高さＷｚから、タイヤ接地面のｘ軸方向の長さ（タイヤ接地長ｌｘ）を算出することができる。そして、タイヤ接地長ｌｘとタイヤ幅ｔｗとを乗算することにより、タイヤ接地面積Ｓｆを算出できる。なお、初期キャンバ角が０以外の場合には、実験あるいはシミュレーションを基にタイヤの傾斜を考慮したタイヤ接地面の形状に補正し、タイヤ接地面積Ｓｆを算出できる。
【００３３】
次に、コントロール／駆動回路ユニット１５は、操舵角センサ４が検出する操舵角を取得する（ステップＳ４）。
そして、コントロール／駆動回路ユニット１５は、操舵時のタイヤ姿勢を算出する（ステップＳ５）。
ステップＳ５において、コントロール／駆動回路ユニット１５は、キングピン軸周りにタイヤを回転させた場合の座標｛Ｋ｝を基準としたタイヤ姿勢、タイヤ接地面形状およびホイールセンタ位置を算出する。このとき、コントロール／駆動回路ユニット１５は、（２）式の行列式（タイヤ姿勢を示す行列式）を基にタイヤ接地面の任意の点のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸方向の変位を算出する。具体的には、コントロール／駆動回路ユニット１５は、タイヤ（車輪）を円柱とみなし、キングピン軸周りにΔΦ回転した（転舵した）ときのタイヤ姿勢を例えば単位量１ｍｍとして算出する。そして、タイヤ接地面積が同一となるように転舵後の新たなホイールセンタ高さを算出し、転舵前の状態からΔΦ回転した姿勢において、各単位接地面あたりで移動した並進量をΔｘとして算出する。Δｘは、車両の基準座標の値に換算する。なお、タイヤにおける新たに接地した面および路面から離れた面については、Δｘ＝０とする。
【００３４】
次に、コントロール／駆動回路ユニット１５は、操舵によって発生する仕事量を算出する（ステップＳ６）。
ここで、操舵によって発生する仕事量は、タイヤと路面との摩擦に対して行った仕事量と、車体１Ａを持ち上げるために行った仕事量とに分けることができる。
ステップＳ６において、コントロール／駆動回路ユニット１５は、（２）式を用いて幾何学的に算出した操舵によるタイヤ接地面形状の変化を基に、タイヤと路面との摩擦トルクに対して行った仕事量Ｗｆを算出する。
【００３５】
図１０は、タイヤ接地面における接地荷重を示す模式図である。
図１０において、タイヤ接地面の面圧分布を一定であるものとすると、タイヤ接地面における単位面積当たりの接地荷重は、輪荷重ｍｆ（左輪荷重ｍｆｌあるいは右輪荷重ｍｆｒ）および接地面積Ｎｆを用いて、ｍｆ／Ｎｆと表すことができる。
また、図１１は、操舵時におけるタイヤ接地面形状の変化を示す模式図である。
【００３６】
図１１に示すように、操舵後のタイヤ接地面積は、操舵中立時のタイヤ接地面積に対して総面積に変化がないものと仮定する。
そして、ステップＳ５において算出したタイヤ接地面の任意の点の変位を基に、タイヤ接地面における各単位接地面積の移動量Δｘについての仕事量を定義する。即ち、転舵前と転舵後において、着目するタイヤ接地面の点（タイヤ側の着目点）は、路面との摩擦を伴いながら路面上を移動する。したがって、各単位接地面積ごとに、路面上を摩擦に抗して移動した距離Δｘを算出し、その移動についての仕事量を定義する。
【００３７】
図１２は、単位接地面積あたりの操舵に要する仕事量を示す模式図である。
図１２において、各単位接地面積が操舵に要する仕事量ｗｉ（ｉは自然数）は、重力加速度ｇを用いて、
ｗｉ＝μ×ｍｉ×ｇ×Δｘｉ                      （３）
と表すことができる。
すると、タイヤ接地面積全体での仕事量Ｗｆは、次式（４）のように表すことができる。
Ｗｆ＝μ（ｍｆ・ｇ／Ｎｆ）ΣΔｘｉ（ただし、ｉ＝１〜Ｎｆ）          （４）
コントロール／駆動回路ユニット１５は、（４）式を基に一輪分の操舵によるねじりトルクを算出するモデルを設定する。
【００３８】
図１３は、一輪分のねじりトルクを算出するモデルを示す模式図である。
図１３に示すモデルでは、タイヤ接地面の各単位接地面ごとに変位が算出してあり、その変位から決まる仕事量ｗｉが対応付けてある。
また、ステップＳ６において、車体１Ａを持ち上げるために行った仕事量は、ホイールセンタの高さの変化を基に、前軸荷重とホイールセンタ高さの変化との乗算を基に算出することができる。
【００３９】
次に、コントロール／駆動回路ユニット１５は、キングピン軸周りのモーメント（一輪分）を算出する（ステップＳ７）。
ステップＳ７において、コントロール／駆動回路ユニット１５は、車体１Ａの上下方向の変位による持ち上げトルク（以下、「車体持ち上げトルク」と称する。）と、タイヤと路面との摩擦によるねじりトルク（以下、「摩擦ねじりトルク」と称する。）とをそれぞれ算出し、これらを合計する。なお、ステップＳ７において、摩擦ねじりトルクを算出する処理が摩擦ねじりトルク算出部１１０ａに対応し、車体持ち上げトルクを算出する処理が車体持ち上げトルク算出部１１０ｂに対応している。
【００４０】
図１４は、操舵においてキングピン軸周りに作用する力（左前輪の場合）を示す模式図である。
図１４において、一輪についての輪荷重は左前輪の前軸荷重ｍｆｌと重力加速度ｇとを用いて、ｍｆｌ・ｇと表すことができる。また、ホイールセンタの上下変位をｄｚ、操舵によるラック軸のストローク（ラックストローク）をｒｓ、単位接地面の移動距離をｌｉと表す。
【００４１】
車体持ち上げトルクは、ホイールセンタ高さの変化（ホイールセンタ上下変位ｄｚ）に基づく仕事量から算出することができ、次式（５）〜（７）のように表すことができる。
車体を持ち上げるポテンシャルエネルギー（一輪分）Ｕ１：
Ｕ１＝−ｍｆｌ×ｇ×ｄｚ                                      （５）
キングピン軸周りに働く持ち上げトルク（一輪分）Ｔ１：
Ｔ１＝∂Ｕ１／∂Φｋｐｚ                                      （６）
ラック軸力（一輪分）Ｆ１：Ｆ１＝∂Ｕ１／∂ｒｓ                （７）
また、摩擦ねじりトルクは、タイヤ接地面形状の変化から算出することができ、次式（８）〜（１０）のように表すことができる。
摩擦力によるポテンシャルエネルギー（一輪分）Ｕ２：
Ｕ２＝−Σ（μ・ｍｆｌ・ｇ・ｌｉ／Ｎｆ）                      （８）
ただし、自然数ｉ＝１〜Ｎｆ。
キングピン軸周りに働く持ち上げトルクＴ２：
Ｔ２＝∂Ｕ２／∂Φｋｐｚ                                      （９）
ラック軸力（一輪分）Ｆ２：Ｆ２＝∂Ｕ２／∂ｒｓ              （１０）
次に、コントロール／駆動回路ユニット１５は、（５）〜（１０）式を基に、キングピン軸周りの回転で生じる二輪分のねじりトルク（摩擦ねじりトルク）を算出するモデルを設定し、合計の操舵トルクを算出する（ステップＳ８）。
【００４２】
図１５は、二輪分のねじりトルクを算出するモデルを示す模式図である。
図１５に示すモデルでは、左右前輪を対応付けて、キングピン軸、操舵によるステアリングラック部材７の移動軌跡、タイロッド８の移動軌跡、接地面中心の移動軌跡、ホイールセンタの移動軌跡がそれぞれ設定してある。
図１５に示すモデルにより、種々の操舵に対して、二輪分のねじりトルクを算出することができる。
そして、ステップＳ８において、コントロール／駆動回路ユニット１５は、これら二輪分のねじりトルクと車体持ち上げトルクとを合計することにより、操舵トルクを算出する。
図１６は、（５）〜（１０）式を基に算出した摩擦ねじりトルク分および車体持ち上げトルク分のラック軸力を示す図である。
【００４３】
図１６によれば、操舵量を示すラックストロークに対して、摩擦ねじりトルクおよび車体持ち上げトルクを成分とするラック軸力が発生し、これらのうち摩擦ねじりトルクが支配的であることがわかる。
なお、左右輪において、ｙ方向を逆向き（車幅方向外方）に取っているため、ラック軸力の向きは正負が逆の位相となる。
【００４４】
次に、コントロール／駆動回路ユニット１５は、次式（１１）に従って、ステップＳ８において算出した操舵トルクに基づくラック軸力Ｆｂｒに対し、ブレーキ圧センサ１２が検出したブレーキ圧に応じた係数（制動力係数τ）を乗算し、走行時の据え切り力Ｆｒｕｎと加算することにより、総合的なラック軸力Ｆを算出する（ステップＳ９）。
Ｆ＝Ｆｒｕｎ＋τ・Ｆｂｒ                                  （１１）
なお、（１１）式中、Ｆｂｒは制動時（車輪がロックした状態）の据え切り力に相当するものである。また、走行時の据え切り力Ｆｒｕｎは、車輪を回転方向へ拘束していない状態での据え切り力（操舵トルク）に相当するものである。また、制動力係数τは、設定車速以下の領域で正の値を取り、制動力（あるいはブレーキ圧）が小さいほど、また、車速が高いほど小さくなる変数である。
【００４５】
図１７は、ブレーキ圧と制動力係数τとの関係例を示す図である。
図１７に示すように、例えば、制動力係数τは、車速が低速域（０〜１０ｋｍ／ｈ等）、かつブレーキ圧が上限値以上のときに、上限値τｍａｘとなる。また、ブレーキ圧が上限値から減少するにつれて、また、車速が増加するにつれて、τも正の範囲で減少する変数とすることができる。図１７に示す例では、車速が０ｋｍ／ｈより高く１０ｋｍ／ｈ以下の場合に対し、車速が１０ｋｍ／ｈより高く２０ｋｍ／ｈ以下の場合、車速が２０ｋｍ／ｈより高く３０ｋｍ／ｈ以下の場合の順に、制動力係数τが小さい値を取る特性となっている。なお、制動力係数τは、設定閾値（例えば３０ｋｍ／ｈ）以下の範囲で上記の値を取り、設定閾値を超える車速ではゼロとなる。
【００４６】
図１８は、操舵トルク推定処理によって算出したラック軸力Ｆ（推定値）と、操舵角との関係を示す図である。
また、図１９は、実車実験によって取得したラック軸力（実測値）と、操舵角との関係を示す図である。
なお、図１８，１９においては、車輪を回転方向へ拘束していない状態（制動なし）および車輪がロックした状態（制動あり）の場合をそれぞれ示している。
【００４７】
図１８，１９に示すように、操舵トルクに対するラック軸力の特性はヒステリシスを示すものとなり、また、制動力の有無によって、異なる特性を描くものとなる。
図１８に示す推定値は、実車実験によって取得した実測値とほぼ一致するものとなっており、本実施形態の操舵トルク推定処理によって、より正確な操舵トルクの推定を行うことが可能となっている。
ステップＳ９の後、コントロール／駆動回路ユニット１５は、イグニションオフとなるまで操舵トルク推定処理を繰り返す。
【００４８】
（動作）
次に、動作を説明する。
本実施形態に係る自動車１は、イグニションオンと共に、操舵トルク推定処理の実行を開始する。このとき、コントロール／駆動回路ユニット１５が、車両パラメータの設定、キングピン軸の位置の座標設定および操舵中立位置でのタイヤ接地面積とタイヤ姿勢の算出を行う（図３のステップＳ１〜Ｓ３）。
【００４９】
そして、運転者が操舵入力を行うと、その操舵角を操舵角センサ４が検出し、操舵時のタイヤ姿勢の変化から、コントロール／駆動回路ユニット１５が操舵によって発生する仕事量を算出する（図３のステップＳ４〜Ｓ６）。
さらに、コントロール／駆動回路ユニット１５が、操舵によって生じるキングピン軸周りのモーメントを、車体持ち上げトルク分および摩擦ねじりトルク分それぞれについて算出することにより、左右輪それぞれのモーメントを算出する（図３のステップＳ７）。
【００５０】
コントロール／駆動回路ユニット１５は、このように算出した左右輪それぞれのキングピン軸周りのモーメントを加算して二輪分の操舵トルクを算出し、この操舵トルクを制動時の据え切り力Ｆｂｒとして、制動力係数τを乗じた後に、走行時の据え切り力Ｆｒｕｎと加算して操舵トルクの推定値Ｆを算出する（図３のステップＳ８，Ｓ９）。
さらに、コントロール／駆動回路ユニット１５（アシストトルク制御部１３０）は、推定した操舵トルクを基に、操舵トルクと操舵アシストトルクとの関係を定義したマップを参照し、電動アシストモータ５に対する操舵アシストトルクの指令値を出力する。
【００５１】
このとき出力する操舵アシストトルクの指令値は、据え切り時（車輪ロック時）の車体持ち上げトルクおよび摩擦ねじりトルクを走行時の据え切り力（回転方向への拘束がない状態での操舵トルク）に加算した正確な操舵トルクの推定値に基づくものであるため、より適切な操舵アシストトルクを付与できる。
以上のように、本実施形態に係る車両用操舵装置１Ｂおよび操舵力推定装置１Ｃは、操舵入力に伴って発生する仕事量を、タイヤと路面との摩擦に対して行った仕事と、車体１Ａを持ち上げるために行った仕事量とに分けて算出する。そして、これらの仕事量に対応して、車体持ち上げトルク分および摩擦ねじりトルク分のキングピン軸周りのモーメントを算出する。
【００５２】
さらに、車両用操舵装置１Ｂおよび操舵力推定装置１Ｃは、左右二輪分についてキングピン軸周りのモーメントを合計し、合計の操舵トルク（ラック軸力）を算出する。
車両用操舵装置１Ｂおよび操舵力推定装置１Ｃは、このように算出した、操舵によって発生する仕事量に基づくラック軸力成分に制動力が小さいほど小さくなる制動力係数τを乗算し、走行時の据え切り力と加算することで、操舵入力に対するラック軸力の推定値を得る。
【００５３】
そのため、線形二輪モデルの車両モデルに基づいてラック軸力を推定する場合に比べ、タイヤと路面の摩擦および車体の持ち上げに要する力を算入してラック軸力を推定することができる。
したがって、操舵トルクあるいはラック軸力をより高精度に推定することができ、ラック軸力あるいは操舵トルクの推定を用いた操舵制御をより適切に行うことができる。
【００５４】
なお、本実施形態において、車輪速センサ１４ＦＲ，１４ＦＬ，１４ＲＲ，１４ＲＬが車速検出手段に対応し、操舵角センサ４が操舵角検出手段に対応する。また、電動アシストモータ５が電動モータに対応し、ステアリングラック部材７がステアリングラック部材に対応する。また、摩擦ねじりトルク算出部１１０ａが摩擦エネルギ算出手段に対応し、操舵トルク推定部１１０が操舵力推定手段に対応する。また、アシストトルク制御部１３０、減算器１４０、ＰＷＭ制御部１５０、電流検出回路１６０およびモータ駆動回路１７０がモータ制御手段に対応し、車体持ち上げトルク算出部１１０ｂがポテンシャルエネルギ算出手段に対応する。また、ブレーキ圧センサ１２が制動力検出手段に対応する。
（第１実施形態の効果）
【００５５】
（１）摩擦エネルギ算出手段によって、操向輪の操舵において発生する路面と操向輪との摩擦エネルギを算出し、操舵力推定手段によって、摩擦エネルギと操舵角とに基づいて操舵トルクあるいはラック軸力を推定する。
そのため、操舵時における路面と操向輪との摩擦エネルギを算入して操舵トルクあるいはラック軸力を推定するため、操向輪のねじりに基づく力を含む操舵トルクあるいはラック軸力の推定値とすることができる。
したがって、操舵トルクあるいはラック軸力をより高精度に推定することが可能となる。
【００５６】
（２）摩擦エネルギと操舵角と操向輪の操舵に伴う車体の上下方向の変位に基づくポテンシャルエネルギとに基づいて操舵トルクあるいはラック軸力を推定する。
したがって、操舵時における車体を持ち上げる力を含む操舵トルクあるいはラック軸力の推定値とできるため、より高精度な推定を行うことができる。
（３）車速が設定した閾値以下のときに操舵トルクあるいはラック軸力を推定し、制動力が小さいほど、操舵トルクあるいはラック軸力の値をより小さく推定する。
そのため、操舵における操向輪と路面の摩擦の影響が大きくなる低速域において、制動による車輪の回転への影響を含む推定値とすることができるため、より高精度な推定を行うことができる。
【００５７】
（４）摩擦エネルギ算出手段によって、操向輪の操舵において発生する路面と操向輪との摩擦エネルギを算出し、操舵力推定手段によって、摩擦エネルギと操舵角とに基づいて操舵トルクあるいはラック軸力を推定する。
そのため、操舵時における路面と操向輪との摩擦エネルギを算入して操舵トルクあるいはラック軸力を推定するため、操向輪のねじりに基づく力を含む操舵トルクあるいはラック軸力の推定値とすることができる。
したがって、操舵トルクあるいはラック軸力をより高精度に推定することが可能となる。
（５）操向輪の操舵において発生する路面と操向輪との摩擦エネルギを算出し、摩擦エネルギと操舵角とに基づいて操舵トルクあるいはステアリングラック部材のラック軸力を推定する。そして、推定した操舵トルクあるいはラック軸力に応じて、電動モータの駆動制御を行う。
これにより、操舵時における路面と操向輪との摩擦エネルギを算入して操舵トルクあるいはラック軸力を推定するため、操向輪のねじりに基づく力を含む操舵トルクあるいはラック軸力の推定値とすることができる。
したがって、操舵トルクあるいはラック軸力をより高精度に推定することができ、操舵トルクあるいはラック軸力の推定を用いた操舵制御をより適切に行うことが可能となる。
【００５８】
（６）操向輪の操舵において発生する路面と操向輪との摩擦エネルギを算出し、摩擦エネルギと操舵角とに基づいて操舵トルクあるいはステアリングラック部材のラック軸力を推定する。
そのため、操舵時における路面と操向輪との摩擦エネルギを算入して操舵トルクあるいはラック軸力を推定するため、操向輪のねじりに基づく力を含む操舵トルクあるいはラック軸力の推定値とすることができる。
したがって、操舵トルクあるいはラック軸力をより高精度に推定することが可能となる。
【００５９】
（応用例１）
第１実施形態では、車両用操舵装置１Ｂとして、運転者による操舵操作に対し、電動アシストモータ５によって操舵アシストトルクを付与する方式のものを例に挙げて説明した。
これに対し、入力側ステアリング軸と出力側ステアリング軸とを機械的に切り離し、操舵入力に対応して、電動モータによって出力側ステアリング軸の回転（即ち、操向輪の操舵角）を制御する方式（いわゆるステアバイワイヤ方式）の車両用操舵装置に本発明を適用することができる。
【００６０】
図２０は、ステアバイワイヤ（ＳＢＷ）方式の車両用操舵装置１Ｂに本発明を適用した場合の構成を示す図である。
図２０に示すように、ＳＢＷ方式の場合も、第１実施形態と同様に、車両用操舵装置１Ｂは、ステアリングホイール２と、操舵角センサ４と、ピニオンギア６と、ステアリングラック部材７と、タイロッド８と、コントロール／駆動回路ユニット１５とを有する。
一方、第１実施形態の構成に対し、ステアリング軸３は、入力側ステアリング軸３ａと出力側ステアリング軸３ｂとに分割した構成であり、入力側ステアリング軸３ａの操舵角を操舵角センサによって検出し、検出値に応じて転舵用の電動モータ５ａを駆動する。
【００６１】
この場合においても、コントロール／駆動回路ユニット１５は、操舵トルク推定処理を実行し、摩擦ねじりトルクおよび車体持ち上げトルクを算入して、キングピン軸周りのモーメントを算出し、操舵トルク（ラック軸力）を推定する。
ＳＢＷ方式の車両用操舵装置の場合、転舵用のモータによって車輪の姿勢を制御することから、本発明を適用して、より正確な操舵トルクあるいはラック軸力を推定することで、より適切なモータ出力とでき、車両の操縦性・安定性を向上させることができる。
なお、ＳＢＷ方式の車両用操舵装置として、ステアリングラック部材が一体であり、その両端に車輪を連結したもの、および、ステアリングラック部材が左右に分割してあり、それらの一端に車輪が連結したもののいずれにも本発明を適用することができる。
【００６２】
（効果）
より正確な操舵トルクあるいはラック軸力を推定することで、より適切なモータ出力とでき、車両の操縦性・安定性を向上させることができる。
（応用例２）
第１実施形態において、摩擦ねじりトルクおよび車体持ち上げトルクを成分とするラック軸力を推定するものとして説明したが、これらのうち、摩擦ねじりトルクが支配的である。
そのため、摩擦ねじりトルクからキングピン軸周りのモーメントを算出し、ラック軸力の推定結果を取得することができる。
この場合、演算を簡素化しつつ、一定の精度で操舵トルクを推定することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１  自動車、１Ａ  車体、１Ｂ  車両用操舵装置、１Ｃ  操舵力推定装置、２  ステアリングホイール、３  ステアリング軸、３ａ  入力側ステアリング軸、３ｂ  出力側ステアリング軸、４  操舵角センサ（操舵角検出手段）、５  電動アシストモータ（電動モータ）、５ａ  電動モータ、６  ピニオンギア、７  ステアリングラック部材、８  タイロッド、９ＦＲ，９ＦＬ，９ＲＲ，９ＲＬ  車輪、１０  ブレーキディスク、１１  ホイールシリンダ、１２  ブレーキ圧センサ（制動力検出手段）、１３  圧力制御ユニット、１４ＦＲ，１４ＦＬ，１４ＲＲ，１４ＲＬ  車輪速センサ（車速検出手段）、１５  駆動回路ユニット、１１０  操舵トルク推定部（操舵力推定手段）、１１０ａ  摩擦ねじりトルク算出部（摩擦エネルギ算出手段）、１１０ｂ  車体持ち上げトルク算出部（ポテンシャルエネルギ算出手段）、１２０  ブレーキ作動判定部、１３０  アシストトルク制御部（モータ制御手段）、１４０  減算器（モータ制御手段）、１５０  ＰＷＭ制御部（モータ制御手段）、１６０  電流検出回路（モータ制御手段）、１７０  モータ駆動回路（モータ制御手段）
【図１】
0005799577.tif 000002
【図２】
0005799577.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0005799577.tif 000014
【図１４】
0005799577.tif 000015
【図１５】
0005799577.tif 000016
【図１６】
0005799577.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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