(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の操舵装置において、操舵操作によって当該操舵装置内部に発生する内部抗力を算出する操舵装置の抗力算出装置であって、
操舵装置に作用する作用力を算出する手段と、
操舵を行うために、前記操舵装置に作用する操舵力を算出する手段と、
前記作用力から前記操舵力を引いた外力を算出する手段と、
前記外力を、車両外部から入力する外部力と前記内部抗力とに分離して、前記内部抗力を得る内部抗力算出手段と、
を有する操舵装置の内部抗力算出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の操舵装置の内部抗力算出装置において、
前記内部抗力算出手段は、前記外部力を操舵操作の量を示す所定の物理量の関数とし、前記内部抗力を操舵操作の速度を示す所定の物理量の関数とし、これら二つの関数と前記外力とから前記内部抗力を示す関数を求め、内部抗力を得るものである、
操舵装置の内部抗力算出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の操舵装置の内部抗力算出装置であって、
前記作用力を算出する手段は、
当該操舵装置の運動に関する特性をあらかじめ記憶している操舵特性記憶手段と、
当該操舵装置の運動状態を表す所定の物理量を検出する操舵状態検出手段と、
前記操舵装置の運動に関する特性に従って、前記操舵装置の運動状態を表す所定の物理量に基づき、操舵装置の運動を解析し、前記作用力を演算する操舵運動解析手段と、
を有し、
前記外部力を算出する手段は、
当該車両の運動に関する特性をあらかじめ記憶している車両特性記憶手段と、
当該車両の運動状態を表す所定の物理量を検出する車両状態検出手段と、
前記車両の運動に関する特性に従って、前記車両の運動状態を表す所定の物理量に基づき、前記車両の運動を解析し、前記外部力を演算する車両運動解析手段と、
を有する、
操舵装置の内部抗力算出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の操舵装置の内部抗力算出装置であって、
前記車両は、操舵操作によって操舵される車輪を有するものであり、
前記操舵装置は、ラックアンドピニオン機構を有するものであり、
前記外部力は、前記操舵される車輪に発生するセルフアライニングトルクであり、
前記操舵操作の量を示す所定物理量は、前記操舵される車輪の横すべり角であり、
前記内部抗力は、前記操舵装置内部に発生する粘性力であり、
前記操舵操作の速度を示す所定物理量は、前記ラックアンドピニオン機構のピニオンの回転速度である、
操舵装置の内部抗力算出装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の内部抗力算出装置を有する操舵装置であって、
運転者の操舵力を補助する力を発生するアシスト手段と、
前記内部抗力に基づき、前記補助する力を制御するアシスト制御手段と、
を有する操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の操舵装置に関し、特にその制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの車両は、車輪を有し、その備えられた車輪のいくつかの向きを変えることにより操舵が行われる。また、操舵において、運転者の力を補うための力を発生するパワーステアリング装置も知られている。
【０００３】
特開２０００−６２６３４号公報には、パワーステアリング装置に関し、操舵角に対して目標の操舵力を生成し、実際の操舵力を前記目標値に追従するように制御することによって、常に一定の操舵反力特性を実現する技術が示されている。また、特開２０００−１４２４３４号公報には、パワーステアリング装置に関し、装置内の油温を推定し、推定された油温に基づいた制御を行うことによって、油温低下に伴う粘性の上昇に適応した制御を行う技術が示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
運転者が行う操舵操作に対する反力は、運転者が路面の状態などを知る上で重要な情報である。しかし、前記公報の前者に記載された装置においては、操舵反力特性を一定となるように制御してしまい、路面からの反力がこれに埋没してしまう。よって、路面状態に関する情報が運転者に伝わりにくいという問題があった。また、前記公報の後者に記載された装置においては、温度による粘性の変化は推定できても、経年変化や油、操舵装置の固体ばらつきなどに基づく操舵反力の変化には追従できない。
【０００５】
本発明は、操舵装置に作用する力のうち、装置内部に発生し、操舵操作に抗する力を算出することを第１の目的とし、さらにこの抗力に関して適切な補助力を発生するパワーステアリング装置を提供することを第２の目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
車両の操舵装置には、運転者の操舵操作に伴う力、この操舵操作を補助するための補助力（アシスト力）、操舵対象となる車輪などに路面など車両外部より入力する力、操舵操作内部に発生する摩擦などにより生じる力が作用する。これら操舵装置に作用する力と、操舵を行うための力が分かれば、それ以外の操舵装置に作用する力である外力を得ることができる。この外力は、前記の車両外部から入力する外部力と、前記の操舵装置内部に発生する内部抗力を含む。これらの二つの力を分離することにより、内部抗力を得ることができる。
【０００７】
そして、この内部抗力に基づきアシスト力の制御を行う操舵装置を提供することができ、路面から入力する情報を損なわずに運転者に伝達することができる。
【０００８】
前記外力を、外部力と、内部抗力に分離するに際して、これらの力を定める関数を設定し、この関数の係数および定数を求めることで、外部力と内部抗力の算出することができる。外部力を定める関数は、操舵操作の量を示す所定の物理量の関数であり、前記内部抗力は操舵操作の速度を示す所定の物理量の関数である。これらの所定の物理量および外力を繰り返し検出および算出することで、前記の関数を定めることができる。そして、この関数から、現時点の外部力および内部抗力を算出することができる。
【０００９】
操舵装置に作用する力を算出するに際しては、操舵装置の運動に関する特性をあらかじめ記憶しておき、操舵装置の運動状態を表す所定の物理量を検出し、これを前記記憶された特性に適用して、求めることができる。操舵装置の運動に関する特性は、例えば操舵装置の可動部分に関する運動方程式であり、操舵装置に作用する力と、操作量、操作速度を繰り返し適用することで、現時点の前記作用する力を求めることができる。
【００１０】
また、前記外部力を算出するに際しては、車両の運動に関する特性をあらかじめ記憶しておき、車両の運動状態を表す所定の物理量を検出し、これを前記記憶された特性に適用して、求めることができる。車両の運動に関する特性は、例えば車両の運動方程式であり、車両に作用する力と、車両のヨー軸に直交する平面内での速度、ヨー軸回りの回転速度を繰り返し適用することで、現時点の外部力、すなわち操舵装置に車両が外部から入力する力を求めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態にかかる操舵装置２０の概略構成図である。操舵装置２０は、ラックアンドピニオン機構を有するパワーステアリング装置である。運転者が車両の旋回などを行うために操作するステアリングホイール２２は、ステアリングシャフト２４を介して、前記ラックアンドピニオン機構のピニオン２６に結合している。ピニオン２６は、ラックロッド２８上に設けられたラックとかみ合い、ここでステアリングホール２２の回転運動がラックロッド２８の直線運動に変換される。このラックロッド２８の動きがタイロッドを介してナックルに伝達され操舵車輪３０，３２の向き、すなわち実操舵角が変更される。さらに、運転者の操舵操作を補助するためにモータ３４が備えられ、モータ３４の出力は、ボールねじのナット３８に伝達される。ナット３８は、ラックロッド２８上に設けられたボールねじに係合し、ここでモータ３４の回転が直線運動に変換される。
【００１２】
ステアリングシャフト２４上には、このシャフトに加わるトルクを検出するトルクセンサ４０と、シャフトの回転角度である操舵角を検出する操舵角センサ４２が設けられている。これらのセンサの出力は、制御部５０に送られる。ここでは、ステアリングシャフトの回転角度を直接測定しているが、モータの回転角度から推定することもできる。この場合、シャフトのねじれ剛性を無視して、ギア比のみで換算してもよいし、ねじれ剛性を考慮して補正してもよい。
【００１３】
制御部５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）５２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ（読み出し専用メモリ）５４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。制御部５０には、トルクセンサ４０からのトルク信号や、操舵角センサ４２からの操舵角信号、さらには、車体に設けられた車速センサ５８からの車速信号が入力される。
【００１４】
制御部５０は、前述の入力信号に従い所定の補助力が発生されるように、モータ３４に駆動信号を送出する。これによって、操舵装置の状態を含む車両の状態に適した操舵力の補助力が発生される。
【００１５】
図２は、制御部５０が、操舵装置２０の内部に発生する内部抗力を算出する装置およびこの内部抗力に基づきモータ３４を制御する装置として機能する場合にかかる制御ブロック図である。作用力算出部７０は、操舵装置２０の運動方程式から、当該装置に作用する力ｄを算出する。操舵装置２０の運動特性は、後述するように運動方程式から導かれた外乱オブザーバとして特性記憶部７２に記憶されている。この特性に従って、運動状態を示す物理量、例えばピニオン回転角度θｐ、ピニオン角速度ωｐに基づき、解析部７４にて現在の運動状態が解析される。特性記憶部７２および解析部７４は、具体的には図１に示すＲＯＭ５４およびＣＰＵ５２である。一方、操舵力算出部７６は、操舵のために操舵装置２０に作用する操舵力（Ｔｐ＋γ・Ｔｍ）を算出する。ここで、γは、ピニオン２６のリードｇｐと、ボールねじのリードｇｂの比を表す（γ＝ｇｐ／ｇｂ）。また、Ｔｐは、トルクセンサ４０で測定されるピニオントルク、Ｔｍはモータアシストトルクである。
【００１６】
作用力ｄから操舵力（Ｔｐ＋γ・Ｔｍ）を引いたもの、すなわち操舵のため以外に操舵装置２０に作用する力（以下、外力と記す）Ｔｄは、外力算出部７８にて、これが算出される。一方、横すべり角算出部８０は、車両の運動方程式から横すべり角αｆを算出する。車両の運動特性は、運動方程式から導かれた状態方程式として特性記憶部８２に記憶されている。この記憶された特性に従って、解析部８４にて、車両の運動状態を示す物理量、例えば車両の車速ｕ、ピニオン回転角度θｐに基づき現在の運動状態が解析される。この状態に、横すべり角αｆが含まれる。なお、横すべり角αｆは、車輪を上から見たときの車輪中心面と車輪の進行方向のなす角として定義される。
【００１７】
前記外力Ｔｄは、車両外部から、すなわち車輪３０，３２から入力される力（以下、外部力と記す）と、操舵装置２０の内部で発生している粘性抵抗などの力（以下、内部抗力と記す）とからなる。外部力は横すべり角αｆの関数であり、内部抗力はピニオン角速度ωｐの関数となる。外部力・内部抗力算出部８６は、これらの関数の係数や定数を求めることにより、外部力および内部抗力の算出を行う。この算出された内部抗力に基づきモータ制御部８８は、モータ３４を制御する。内部抗力に基づきモータの制御が行われるので、外部力すなわち車輪３０，３２からの入力が運転者に操作反力として伝達される。この伝達される反力により運転者は操舵車輪のコーナリングフォースを把握することができ、操舵操作にフィードバックすることができる。
【００１８】
次に、個々の算出部における具体的な演算について説明する。操舵装置２０の運動方程式は、式（１）にて記述される。この式は、路面から車輪に入力するセルフアライニングトルク（以下、ＳＡＴと記す）や、モータのクーロン摩擦、装置内部の粘性摩擦などを含めた形で示される。
【００１９】
【数１】
0004568996.tif 000002
【００２０】
式（１）の右辺を外乱オブザーバにおける外乱とみなせば、式（２）に示す外乱オブザーバが構成できる。式（２）中の全慣性Ｊｅ，作用力ｄは、式（３），（４）により定義される。また、Ｇはオブザーバゲインであり、各状態量の推定値は、添え字ｈを付して表している（以下同様）。
【００２１】
【数２】
0004568996.tif 000003
【００２２】
ここで、オブザーバゲインＧを極配置法によって決定し、サンプリング時間を１０ｍｓとして離散化すると、次式（５），（６）となる。なお、各係数行列は、系の固定値、例えばラックシャフト質量Ｍｒ、モータ慣性Ｊｍ、ピニオンギアおよびボールねじのリードｇｐ，ｇｂなどに基づき決定される。
【００２３】
【数３】
0004568996.tif 000004
【００２４】
さらに、外力Ｔｄの推定値Ｔｄｈは、式（４）より、次式（７）にて求められる。
【００２５】
【数４】
0004568996.tif 000005
【００２６】
車両の運動特性は、次式（８），（９）で示される状態方程式で示される。
【００２７】
【数５】
0004568996.tif 000006
【００２８】
式（８）において、入力を車速ｕおよびピニオン回転角度θｐとすることにより、横速度νおよびヨーレートｒが出力される。この横速度νとヨーレートｒから、横すべり角αｆを推定することができる。これら二式をサンプリング時間１０ｍｓで離散化し、車速の関数として表現すると、式（１０），（１１）が得られる。なお、各係数行列は、系の固定値に基づき決定される。また、このサンプリング時間は、ドライバの操舵周波数に応じた時間まで長くすることが可能であり、１０ｍｓから１０ｍｓの間の値とすることが適している。
【００２９】
【数６】
0004568996.tif 000007
【００３０】
前記の外乱オブザーバによって推定された外力Ｔｄを、式（１２）に示されるように、モータの角速度に比例する粘性に関する成分と、横すべり角に比例するＳＡＴの成分によって構成されていると仮定する。式（１２）中、粘性に関する成分において、その粘性係数ｄｍは、モータ軸換算のトルクと操舵角速度の比として表現しているものである。また、係数ｋは、ＳＡＴの横すべり角に対する勾配であり、以下ＳＡＴ勾配と記す。
【００３１】
【数７】
0004568996.tif 000008
【００３２】
ここで、式（１２）に、オンライン最小二乗法を適用し、ＳＡＴ勾配と粘性係数の同定を行う。なお、モータの粘性は、温度に依存して変化するものであり、ＳＡＴ勾配と比較して変化速度が小さいパラメータである。このため、ここでは推定するパラメータの変化速度が異なる場合の推定手法を適用する。このオンライン最小二乗法は次式（１３）〜（１５）のアルゴリズムによって演算される。
【００３３】
【数８】
0004568996.tif 000009
【００３４】
またλ１，λ２はそれぞれ粘性係数とＳＡＴ勾配に対応する忘却係数である。
ここでは、変化速度の小さな粘性係数に関する忘却係数を大きく、変化速度の大きなＳＡＴ勾配に関連する忘却係数を小さくなるように、λ１＝０．９９９、λ２＝０．９５と設定されている。このようにパラメータごとに忘却係数を設定することにより、変化速度の大きなＳＡＴ勾配に関しては、実際の変化に追従した推定が可能となる。また、このアルゴリズムによって同定されているパラメータは、次式（１９）を表している。
【００３５】
【数９】
0004568996.tif 000010
【００３６】
粘性係数ｄｍが求められれば、操舵角速度を示すωｐから粘性に起因する力を求めることができる。この力に対応して補助力、すなわちモータ３４にて発生するアシストトルクを決定することにより、粘性の変化に対応した補助を行うことが可能となる。また、ＳＡＴに起因する力に関しては補助力が変化しないので、路面状況を反映した操舵反力を、運転者に的確に伝えることができる。
【００３７】
図３および図４は、温度条件が異なる場合の、粘性係数ｄｍとＳＡＴ勾配ｋの推定結果を示したものである。図３が温度が低い場合、図４が常温での場合の推定結果である。温度の高低により粘性係数が変化しているのに対して、ＳＡＴ勾配についてはその変化が少ないことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施形態の装置の概略構成を示す図である。
【図２】  本実施形態の演算処理にかかるブロック図である。
【図３】  本実施形態の適用結果を示す図であり、特に低温の場合の結果を示す図である。
【図４】  本実施形態の適用結果を示す図であり、特に常温の場合の結果を示す図である。
【符号の説明】
２０  操舵装置、２２  ステアリングホイール、２４  ステアリングシャフト、２６  ピニオン、２８  ラックロッド、３０，３２  操舵車輪、３４  モータ、３８  ボールねじのナット、４０  トルクセンサ、４２  操舵角センサ、５０制御部、５８  車速センサ。
【図１】
0004568996.tif 000011
【図２】
0004568996.tif 000012
【図３】
0004568996.tif 000013
【図４】
0004568996.tif 000014