(57)【要約】【課題】所望の操縦性及び安定性を得る。【解決手段】ゲイン演算回路２１は、車速センサで検出された車速ｖを用いてゲインＣ１０を演算する。微分フィルタ２２は、ｓ／Ｎ３（ｓ）の特性を有し、操舵角δＭＡに対して１次微分フィルタ処理を行うことにより、δＭＡ・ｓ／Ｎ３（ｓ）を出力する。ゲイン演算回路２３は、ゲインＣ１１０を演算し、微分フィルタ２２から出力されたδＭＡ・ｓ／Ｎ３（ｓ）に上記のゲインＣ１１０を乗じて、Ｃ１１０・δＭＡ・ｓ／Ｎ３（ｓ）を出力する。加算器２４は、ゲイン演算回路２１から出力されたＣ１０・δＭＡと、ゲイン演算回路２３から出力されたＣ１１０・δＭＡ・ｓ／Ｎ３（ｓ）と、を加算して、目標となる前輪操舵角δｆを出力する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
操舵角を検出する操舵角検出手段と、
車速を検出する車速検出手段と、
前記操舵角検出手段により検出された操舵角と、前記車速検出手段により検出された車速に応じた第１のゲインと、に基づいて第１の制御量を演算する第１の制御量演算手段と、
前記操舵角検出手段により検出された操舵角に対して、所定の時定数及び第２のゲインを有する伝達関数により表されるフィルタ処理を行うことにより、第２の制御量を演算する第２の制御量演算手段と、
前記第１及び前記第２の制御量演算手段により演算された第１及び第２の制御量を加算することにより、目標操舵角を演算する加算手段と、
前記加算手段により演算された目標操舵角になるように前輪及び後輪の少なくとも１つの操舵角を制御する操舵角制御手段と、
を備えた車両制御装置。
【請求項２】
前記第２の制御量演算手段は、前記車速検出手段により検出された車速に応じた時定数を演算する
請求項１に記載の車両制御装置。
【請求項３】
前記第２の制御量演算手段は、車速が高くなるに従って大きくなる時定数を演算する
請求項１に記載の車両制御装置。
【請求項４】
前記第２の制御量演算手段は、車速に比例する時定数を演算する
請求項１に記載の車両制御装置。
【請求項５】
制御対象となる車両についての車両特性が、車速が上がるに従って共振周波数が下がると共にピークゲインが振動的になり、共振周波数よりも低い周波数では車速が上がるに従って位相が進み、共振周波数よりも高い周波数では位相が遅れるような、操舵角からヨーレートへの伝達特性で表され、
前記操舵角検出手段により検出される操舵角から前記加算手段により演算される目標操舵角までの制御系の極は、前記車両特性の零点を有する
請求項１に記載の車両制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、前輪及び後輪の少なくとも一方の舵角を制御する車両制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な車両用舵角制御方法が提案されている。特許文献１には、フィードバック制御される後輪転舵用のアクチュエータを備えた車両用後輪舵角制御装置が開示されている。具体的には、特許文献１には、後輪舵角目標値、アクチュエータの動作速度を予想する後輪舵角目標微分値及びアクチュエータの動作加速度を予想する後輪舵角目標微分値２階微分値を用いて、アクチュエータの応答遅れ及びふらつきを抑えるように後輪舵角目標値を補償するフィードフォワード補償を加えてアクチュエータ駆動出力を決定することが記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、アクチュエータの動特性を考慮しながら目標値への実転舵角の追従に実用上無視できる遅れを許容して演算する技術が開示されている。また、特許文献３には、ハンドル操舵時に前輪又は後輪を補助転舵する場合に、アクチュエータの動特性をパルス伝達関数で表現し、更に舵角実際値が舵角目標値に対して所定の遅れをもって追従することにより、補助転舵される車輪の舵角実際値を十分に舵角目標値に近づける技術が開示されている。
【特許文献１】特許第２５８７４４９号公報
【特許文献２】特開平３−３１０７０号公報
【特許文献３】特開平３−１２５６６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１から３のいずれのフィルタの構成は、アクチュエータであるモータの２次特性に基づくものであり、車両特性に基づく１次遅れの特性とは異なる。このため、車両の操縦性、安定性について何ら考慮されていなかった。さらに、特許文献１から３のいずれにおいても、目標特性の決め方とコントローラゲインの関係についても言及されていない。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、所望の操縦性及び安定性を得ることができる車両制御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】
【０００６】
本発明の車両制御装置は、操舵角を検出する操舵角検出手段と、車速を検出する車速検出手段と、前記操舵角検出手段により検出された操舵角と、前記車速検出手段により検出された車速に応じた第１のゲインと、に基づいて第１の制御量を演算する第１の制御量演算手段と、前記操舵角検出手段により検出された操舵角に対して、所定の時定数及び第２のゲインを有する伝達関数により表されるフィルタ処理を行うことにより、第２の制御量を演算する第２の制御量演算手段と、前記第１及び前記第２の制御量演算手段により演算された第１及び第２の制御量を加算することにより、目標操舵角を演算する加算手段と、前記加算手段により演算された目標操舵角になるように前輪及び後輪の少なくとも１つの操舵角を制御する操舵角制御手段と、を備えている。
【０００７】
第１の制御量演算手段は、操舵角と車速に応じた第１のゲインとに基づいて第１の制御量を演算する。第２の制御量演算手段は、操舵角に対して、所定の時定数及び第２のゲインを有する伝達関数により表されるフィルタ処理を行って第２の制御量を演算する。加算手段は、第１及び第２の制御量を加算することで目標操舵角を演算する。そして、操舵角制御手段は、目標操舵角になるように前輪及び後輪の少なくとも１つの操舵角を制御する。
【０００８】
したがって、本発明の車両制御装置は、操舵角と車速に応じた第１のゲインとに基づく第１の制御量と、操舵角に対して所定の時定数及び第２のゲインを有する伝達関数により表されるフィルタ処理を行った第２の制御量と、を加算して目標操舵角を演算し、目標操舵角になるように前輪及び後輪の少なくとも１つの操舵角を制御することにより、所望の操縦性及び安定性を得ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る車両制御装置は、所望の操縦性及び安定性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
［発明の原理］
以下、本発明の原理について説明する。
【００１２】
（制御目的）
これまで実車やドライビングシミュレータなどを用いて、様々の運転条件においてドライバが望む理想的な車両運動の解明への取り組みが進められている。その中では車両のヨーレート、横加速度の動特性の重要性が示されており、低速ではヨーレート、高速では横加速度の特性が重要と指摘されている。
【００１３】
特に低速でのヨーレートゲインと操舵に対するヨーレートの速応性（ドライバが感じる操舵に対するヨーレートの線形性）、高速での操舵に対する横加速度の微分（横ジャーク）の立ち上がり特性と関係する安定感は、車両の操安性評価に対して寄与が大きな要素と考えられる。
【００１４】
また、旋回中の車体スリップ角は、車両の安定感や回頭性の評価に寄与すると考えられている。現状ではこれらの理想的な特性が定量的に示されるには至っていない。しかし、少なくとも車両運動を司るコントローラの設計には車速に応じてヨーレートや横加速度の動特性や車体スリップ角の大きさが調整できることが要求される。
【００１５】
以上から、本発明は、以下の４点の要求を満たすようになっている。
（１）ハンドル角に対するヨーレートの定常ゲインが調整可能であること
（２）ハンドル角に対するヨーレートの応答（位相）が調整可能であること
（３）ハンドル角に対する車体スリップ角の定常ゲインが調整可能であること
（４）ハンドル角に対して横ジャークの立ち上がり特性が調整可能であること
（車両モデルの設定）
制御対象である前後輪ステアを有する車両の線形２輪モデルを（１）式に示す。βは車体スリップ角、γはヨーレート、δｆ，δｒはそれぞれ前輪及び後輪の舵角である。また、Ｉｚは車両のヨー慣性、Ｋｆ，Ｋｒは前後輪のコーナリングスティフネス、ｍは車両重量、ｌはホイールベース、ｌｆ，ｌｒは車両重心から前後輪軸までの距離、ｖは車速である。
【００１６】
【数１】
2008201277.tif 000003
【００１７】
なお、（１）式の上段の式は並進方向の運動方程式を示し、下段の式はヨー方向の運動方程式を示す。（１）式をラプラス変換して整理すると（２）式が得られる。ここで、ｓはラプラス演算子、Δｓ（ｓ）は（３）式で表されるシステムの特性方程式、Ｎ１〜Ｎ４はシステムの分子多項式で、（４）から（７）式のように書ける。
【００１８】
【数２】
2008201277.tif 000004
【００１９】
なお、（６）式は、前輪の操舵角からヨーレートまでの伝達関数の分子を示す。（７）式は、後輪の操舵角からヨーレートまでの伝達関数の分子を示す。よって、（２）〜（７）式によると、車速に応じた伝達関数の分母を車両特性の一部（Ｎ３、Ｎ４）としている。
【００２０】
ここで、次の（８）、（９）式の形式で記述される目標車体スリップ角β＊、目標ヨーレートγ＊を実現するための前後及び後輪の舵角の導出を考える。
【００２１】
【数３】
2008201277.tif 000005
【００２２】
この時、車体スリップ角、ヨーレートの目標定常ゲインβ０＊，γ０＊は次の（１０）、（１１）式のようにかける。
【００２３】
【数４】
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【００２４】
（制御方式の選択）
上述した制御目的のうち、定常特性に関する要求は、ＦＦ（フィードフォワード）コントローラの定常ゲインを一意に決めるものであるが、動特性に関する要求に対しては、いくつかの手法が考えられる。
【００２５】
図１は、一般的な乗用車のハンドル角からヨーレートへの伝達関数のボード線図である。車速が上がるに従って、共振点の周波数は下がり、ピークのゲインは大きく振動的になる。また、共振周波数よりも低い周波数の領域では、低速では位相遅れ、高速では位相は進む。このような特性を持つ車両に対して、ヨーレートの即応性と安定性を向上させるための常套手段の１つとして、システムの極を修正する手法がある。この手法では、ＦＦコントローラ（ＣＰｏｌｅＰｌａｃｅ）を（１２）式のように与える。
【００２６】
【数５】
2008201277.tif 000007
【００２７】
すなわち、制御対象の極をＦＦコントローラの零点で相殺して、ＦＦコントローラの極によってシステムの共振周波数をより高い値（ω＊）に、ダンピングをより大きな値（ζ＊）に修正する方法である。ただし、Ｃ０ＰｏｌｅＰｌａｃｅは、コントローラの定常ゲインである。しかしながら、このようなコントローラは分母及び分子が２次多項式であり、図２に示すように、ゲイン特性にピークを持ち、その近傍で位相特性が大きく変化する。
【００２８】
そこで、コントローラがこのようなゲイン特性のピークを持たず、かつシステムの応答性を改善させることができるコントローラの構造として、システムの分子多項式をコントローラの分母に持つコントローラ設計を適用する。これは、制御対象の零点をコントローラの極で相殺して、新たにコントローラの零点でシステムの零点を修正するという方法である。しかし、（４）−（７）式で表したように、制御対象の零点は１つ（分子多項式は１次）であるため、コントローラの分母多項式も１次となり、コントローラのゲイン特性はピークを持たない。そのため、前述の自励振動は発生しにくいと期待できる。さらには、後述するが、コントローラの構造は比例項と微分項の和で表され、パラメータチューニングも容易である。そこで、この方法を用いたコントローラを設計する。
【００２９】
（前後輪ステアコントローラの設計）
ハンドル角を入力とし、前後輪の目標舵角を出力するコントローラをそれぞれＣ１（ｓ），Ｃ２（ｓ）とする。ここで、Ｃ１（ｓ），Ｃ２（ｓ）は（１４）、（１５）式に示すように、比例項Ｃ１０，Ｃ２０と制御対象の分子多項式Ｎ３（ｓ）、Ｎ４（ｓ）を分母に持つ微分項Ｃ１１（ｓ）、Ｃ２１（ｓ）からなる。
【００３０】
【数６】
2008201277.tif 000008
【００３１】
すなわち、Ｃ１０，Ｃ２０、Ｃ１１０，Ｃ２１０は定数ゲインであり、この４つのゲインを決めることによってコントローラを設計する。これらのゲインは、最終的には車速などの情報に応じたマップになる。微分フィルタは前後輪それぞれ、ｓ／Ｎ３（ｓ），ｓ／Ｎ４（ｓ）の値を持ち、システムの分子多項式を一時遅れの係数として持つ微分フィルタを構成する。
【００３２】
次に、（２）式に（１４）、（１５）式を代入し、（８）、（９）式で与えるβ＊，γ＊を実現することを考える。ここで、Ｎ＊：（＊＝１．．．４）を（１６）式のように書くと、（２）式は（１７）から（２０）式のように分解できる。
【００３３】
【数７】
2008201277.tif 000009
【００３４】
ここで、（１８）式は車体スリップ角とヨーレートの定常ゲイン（β０＊，γ０＊）に相当する項であり、次の（２１）式のように書ける。
【００３５】
【数８】
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【００３６】
（２１）式を解くと、コントローラの比例ゲインＣ１０，Ｃ２０が（２２）、（２３）式のように求められる。
【００３７】
【数９】
2008201277.tif 000011
【００３８】
次に、（１７）式のヨーレートに関する成分（２行目）に注目する。ヨーレートの目標値を（９）式に従って次式のように置く。
【００３９】
【数１０】
2008201277.tif 000012
【００４０】
さらにγ１＊を（２４）式のように置く。
【００４１】
【数１１】
2008201277.tif 000013
【００４２】
ここで、γ１２ｗｓは制御無しの時のヨーレートの微分項のゲインで（２５）式で与えられる。
【００４３】
【数１２】
2008201277.tif 000014
【００４４】
すなわち、ここではγ１＊は制御無しの時のΔγ倍として与えた。これは、制御無しの状態からの変化量を指定することにより、車両のベース性能を意識しながら制御量を調整するためである。しかし、γ１＊の与え方はこれに限らず、絶対値で与えても良いし、他の特性から算出しても良い。
【００４５】
既に求めたＣ１０，Ｃ２０とγ０＊，γ１＊を用いて（１７）式のヨーレートに関する成分を整理すると、（２７）式が得られ、これを解くことにより（Ｃ１１０＋Ｃ２１０）が求まる。
【００４６】
【数１３】
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【００４７】
ただしγｐ（ｓ）／Δｓ（ｓ）は（１９）式のヨーレートに関する項である。
【００４８】
最後に横加速度の立ち上がり特性について考える。（１７）式から車体スリップ角の成分を取り出し、同様に（１９）式の車体スリップ角の項をβｐ０≡Ｎ１’Ｃ１０＋Ｎ２’Ｃ２０として整理すると、（３０）式が得られる。
【００４９】
【数１４】
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【００５０】
（３０）式はスリップ角の微分、すなわち横加速度に関する式である。ここで、Ｎ＊（ｓ）はいずれも１次式であるから、（３０）式の分母は２次、分子は分母より１次多い３次となり、分子の最高次の項が横加速度の微分、すなわち横ジャークの直達項となり、立ち上がりの特性を決める。（３０）式右辺分子の最高次の項ＪＨは、（３１）式になる。
【００５１】
【数１５】
2008201277.tif 000017
【００５２】
（６）式からＮ３（ｓ）は正、（７）式からＮ４（ｓ）は負であることから、（３０）式右辺分母は負となる。よって、（３１）式が小さいほど横ジャークの直達項は大きくなり、立ち上がりは早くなるといえる。既にＣ１０，Ｃ２０は（２２）、（２３）式で与えられており、横ジャークの立ち上がりを早くするためには、（ＩｒＣ１１０−ｌｆＣ２１０）を大きくとればよい。所望の横ジャークが得られるように（ＩｒＣ１１０−ｌｆＣ２１０）を決めれば、既にγ１＊を指定することによって（Ｃ１１０＋Ｃ２１０）は一意に求まっているので、Ｃ１１０，Ｃ２１０が求まる。
【００５３】
（まとめ）
前後輪アクティブステアによる操安性向上を目的にコントローラの設計手法を示した。提案したコントローラは、目的であるヨーレートの定常ゲインと応答性、定常車体スリップ角、横ジャークの立ち上がり特性を調整できる十分な自由度を持つ。さらに舵角比例と微分ステアに帰着できるシンプルな構造は、車両運動からの直感的なゲインチューニングが可能であり、車両特性の作りこみの容易さからも有効な手法である。
【００５４】
［具体的な実施形態］
図３は、本発明の実施形態に係る車両制御装置の構成を示すブロック図である。車両制御装置は、操舵角δＭＡを検出する操舵角センサ１１と、車速を検出する車速センサ１２と、前輪操舵角及び後輪操舵角を演算する電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０と、前輪を転舵する前輪転舵アクチュエータ３１と、後輪を転舵する後輪転舵アクチュエータ３２と、を備えている。
【００５５】
図４は、ＥＣＵ２０の構成を示すブロック図である。ＥＣＵ２０は、ゲインＣ１０を演算して操舵角δＭＡにゲインＣ１０を乗ずるゲイン演算回路２１と、操舵角δＭＡに対してフィルタ処理を行う微分フィルタ２２と、ゲインＣ１１０を演算してフィルタ出力にゲインＣ１１０を乗ずるゲイン演算回路２３と、ゲイン演算回路２１、２３の出力を加算して前輪操舵角δｆを出力する加算器２４と、を備えている。
【００５６】
ゲイン演算回路２１は、車速センサ１２で検出された車速ｖを用いて、上述した（２２）式に従ってゲインＣ１０を演算する。なお、（２２）式において、β０＊は車体スリップ角の定常ゲインであり、γ０＊はヨーレートの定常ゲインである。そして、ゲイン演算回路２１は、操舵角センサ１１により検出された操舵角δＭＡに上記のゲインＣ１０を乗じて、Ｃ１０・δＭＡを出力する。
【００５７】
微分フィルタ２２は、ｓ／Ｎ３（ｓ）の特性を有し、操舵角δＭＡに対して１次微分フィルタ処理を行うことにより、δＭＡ・ｓ／Ｎ３（ｓ）を出力する。ｓはラプラス演算素子であり、Ｎ３（ｓ）は上述した（６）式を示す。なお、ｓ／Ｎ３（ｓ）をｓ／（１＋Ｔｓ）の形に変形すると、Ｔは微分フィルタ２２の時定数を表す。
【００５８】
ゲイン演算回路２３は、ゲインＣ１１０を演算する。なお、ゲインＣ１１０は、（２７）式及び上述した（ｌｒＣ１１０−ｌｆＣ２１０）の関係から求められる。そして、ゲイン演算回路２１は、微分フィルタ２２から出力されたδＭＡ・ｓ／Ｎ３（ｓ）に上記のゲインＣ１１０を乗じて、Ｃ１１０・δＭＡ・ｓ／Ｎ３（ｓ）を出力する。
【００５９】
加算器２４は、ゲイン演算回路２１から出力されたＣ１０・δＭＡと、ゲイン演算回路２３から出力されたＣ１１０・δＭＡ・ｓ／Ｎ３（ｓ）と、を加算して、（３２）式に示すように、目標となる前輪操舵角δｆを出力する。
【００６０】
【数１６】
2008201277.tif 000018
【００６１】
また、ＥＣＵ２０は、図２に示すように、ゲインＣ２０を演算して操舵角δＭＡにゲインＣ２０を乗ずるゲイン演算回路２６と、操舵角δＭＡに対してフィルタ処理を行う微分フィルタ２７と、ゲインＣ２１０を演算してフィルタ出力にゲインＣ２１０を乗ずるゲイン演算回路２８と、ゲイン演算回路２６、２８の出力を加算して後輪操舵角δｒを出力する加算器２９と、を備えている。
【００６２】
ゲイン演算回路２６は、車速センサ１２で検出された車速ｖを用いて、上述した（２３）式に従ってゲインＣ２０を演算する。そして、ゲイン演算回路２６は、操舵角センサ１１により検出された操舵角δＭＡに上記のゲインＣ２０を乗じて、Ｃ２０・δＭＡを出力する。
【００６３】
微分フィルタ２７は、ｓ／Ｎ４（ｓ）の特性を有し、操舵角δＭＡに対して１次微分フィルタ処理を行うことにより、δＭＡ・ｓ／Ｎ４（ｓ）を出力する。ｓはラプラス演算素子であり、Ｎ４（ｓ）は上述した（７）式を示す。なお、ｓ／Ｎ４（ｓ）をｓ／（１＋Ｔｓ）の形に変形すると、Ｔは微分フィルタ２７の時定数を表す。
【００６４】
ゲイン演算回路２８は、ゲインＣ２１０を演算する。なお、ゲインＣ２１０は、（２７）式及び上述した（ｌｒＣ１１０−ｌｆＣ２１０）の関係から求められる。そして、ゲイン演算回路２８は、微分フィルタ２７から出力されたδＭＡ・ｓ／Ｎ４（ｓ）に上記のゲインＣ２１０を乗じて、Ｃ２１０・δＭＡ・ｓ／Ｎ４（ｓ）を出力する。
【００６５】
加算器２９は、ゲイン演算回路２６から出力されたＣ２０・δＭＡと、ゲイン演算回路２８から出力されたＣ２１０・δＭＡ・ｓ／Ｎ４（ｓ）と、を加算して、（３３）式に示すように、目標となる後輪操舵角δｒを出力する。
【００６６】
【数１７】
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【００６７】
そして、図１に示す前輪転舵アクチュエータ３１は、実際の前輪の操舵角が前輪操舵角δｆになるように前輪を転舵する。また、後輪転舵アクチュエータ３２は、実際の後輪の操舵角が後輪操舵角δｒになるように後輪を転舵する。
【００６８】
ここで、Ｃ１０、Ｃ２０は、それぞれ操舵角に対するヨーレートの定常ゲインである。（Ｃ１１０＋Ｃ２１０）は、（２７）式から明らかなように、操舵角に対するヨーレートの応答（位相）を示している。さらに、（３０）式は操舵角に対する車体スリップ角の定常ゲインを示し、（３１）式は操舵角に対する横ジャークの立ち上がり特性を示している。これらは、それぞれ所定のパラメータの値を変更することにより、調整可能になっている。すなわち、本実施形態では、（制御目的）で説明した４つの要求がすべて満たされている。換言すると、ヨーレートの定常ゲイン、ヨーレートの位相進み、車体スリップ角の定常ゲイン、横ジャークの立ち上がり特性の要求に応じて、Ｃ１０、Ｃ１１０、微分フィルタ２２、２７の時定数、微分ゲインであるＣ１１０、Ｃ２１０がそれぞれ決められる。
【００６９】
以上のように、本発明の実施の形態に係る車両制御装置は、操舵角及び車速を検出し、これらの検出結果を用いて、操舵性に関わる指標（操舵角に対するヨーレートのゲイン及び位相）と安定感に関わる指標（操舵に対する横加速度の立ち上がり）をそれぞれ独立の所望の値に設定できるので、操舵性能を向上させることができる。また、本実施の形態に係る車両制御装置は、周波数ピークを有しない伝達関数を有するコントローラを用いて制御しているので、操舵系の自励振動の誘発を回避することができる。
【００７０】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で設計上の変更をされたものにも適用可能であるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】一般的な乗用車のハンドル角からヨーレートへの伝達関数のボード線図である。
【図２】システムの共振周波数やダンピングを修正するＦＦコントローラの伝達関数を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る車両制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】ＥＣＵ２０の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７２】
１１  操舵角センサ
１２  車速センサ
２０  ＥＣＵ
２１、２３、２６、２８  ゲイン演算回路
２２、２７  微分フィルタ
２４、２９  加算器
【図１】
2008201277.tif 000020
【図２】
2008201277.tif 000021
【図３】
2008201277.tif 000022
【図４】
2008201277.tif 000023