(57)【要約】【課題】  車両運動モデルを導入した複雑な制御系を構築することなく、路面左右の摩擦係数の違いや横風等に対する外乱安定化制御を簡単に実現する。【解決手段】  舵角指令の主な値となるフィードフォワード値を生成するフィードフォワード値生成手段２１と、外乱補正用のフィードバックによる補正量を生成する外乱補正量生成手段２２と、前記フィードフォワード値と補正量とを加算して前記転舵モータ１５を駆動する舵角指令を生成する比較手段２３とを有する。外乱補正量生成手段２２は、車両速度とハンドル角から、車両２０に生じる横加速度を演算し、外乱検出手段２５による横加速度の実測値が目標値に追従するように前記補正量を演算する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪を転舵させる転舵軸と機械的に連結されていないハンドルと、そのハンドル角度を検出するハンドル角センサと、前記転舵軸を駆動する転舵モータとを有するステアバイワイヤ式操舵機構を制御する制御装置であって、
舵角指令のフィードフォワード値を生成するフィードフォワード値生成手段と、外乱補正用のフィードバックによる補正量を生成する外乱補正量生成手段と、前記フィードフォワード値と補正量とを加算して前記転舵モータを駆動する舵角指令を生成する比較手段とを有し、
前記フィードフォワード値生成手段は、前記ハンドル角センサで検出されたハンドル角にゲインを乗じてフィードフォワード値を演算し、
前記外乱補正量生成手段は、車速検出手段で得た車両速度と前記ハンドル角センサで得たハンドル角から、車両に生じるヨーモーメントに起因する特定の物理量の目標値を演算し、車両に搭載されて前記物理量を検出する外乱検出手段による実測値が前記目標値に追従するように前記補正量を演算する、
ことを特徴とするステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。
【請求項２】
請求項１において、前記特定の物理量は横加速度であるステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。
【請求項３】
請求項１において、前記特定の物理量はヨー角速度であるステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記外乱補正量生成手段は、前記車速検出手段で得た車両速度および前記ハンドル角センサで得たハンドル角と、定められたゲインとから前記目標値を演算する目標値演算部と、この目標値演算部で演算した目標値と前記実測値との差を演算する比較部と、この差に対して定められた演算を施して前記補正量を演算する制御部とを有するステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記フィードフォワード値生成手段は、前記ハンドル角に乗じるゲインを、前記車速検出手段で得た車両速度によって変化させるステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記外乱補正量生成手段は、前記目標値と実測値の差につき、比例制御を行うことで前記補正値を演算するステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記外乱補正量生成手段は、前記目標値と実測値の差につき、比例積分制御を行うことで前記補正値を演算するステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記外乱補正量生成手段は、前記目標値と実測値の差につき、比例積分微分制御を行うことで前記補正値を演算するステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記外乱検出手段がジャイロセンサであるステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記外乱検出手段が、車輪用軸受に設けられて車両の横力を検出する荷重センサと、この荷重センサの検出値から前記物理量を推定する推定手段とでなるステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両におけるステアバイワイヤ式操舵機構の、車両運動制御を図った制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
横風などの意図しない外乱を受けたときや、急制動時などに、車両がドライバーの意思に反した動きを生じることがある。
ステアバイワイヤ式操舵機構は、ハンドルからタイヤまでを機械的に連結していないため、ハンドル角と実舵角の関係を任意に設定できる特長がある。この特長を生かし、車両に生じる横加速度をフィードバックして実舵角を制御することで、ドライバーの意思通りの走行を支援する外乱安定化制御が非特許文献１で提案されている。
【０００３】
同文献の提案を、図９に示すブロック線図を参考に説明する。この制御は、次に示す三つのステップにより行われる。
ステップ(1) ：車両速度とハンドル角から目標値となる横加速度を設定する。
ステップ(2) ：二輪車両モデルから導出した実舵角−横加速度の伝達関数を基に、目標値となる横加速度から実舵角を演算（フィードフォワード制御）する。
ステップ(3) ：横加速度の目標値と実測値（横加速度センサを利用）を比較し、実測値が目標値に追従するよう、ＰＩ制御により実舵角の修正分を演算（フィードバック制御）する。
上記のステップ(3) における実舵角の修正により、横風などの意図しない外乱を車両が受けてもその影響に左右されにくい車両運動が実現される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】小泉瑠理子、大沼豊著、「ステアバイワイヤ技術を用いた横Ｇフィードバック制御検討」、自動車技術会学術講演会前刷集、No．64-09 、p ．17-22 （2009）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
路面に幅方向部分によって高摩擦路と低摩擦路とが生じていて（いわゆるスプリットμ路となっていて）、車両の左右片方の車輪が高摩擦路上を、もう片方の車輪が低摩擦路上を走行している場合がある。その場合に急制動を行うと、左右の摩擦係数差による制動力差から、車両が高摩擦路側にヨーイング運動してしまうことがある。このような車両運動の安定化に、非特許文献１に示された制御方法が効果的である。
【０００６】
しかし、非特許文献１における外乱安定化制御では、車両運動モデルを用いて実舵角のフィードフォワード分を演算するが、この演算では車輪のコーナリングパワーや車両のヨー慣性モーメントなどの車両パラメータを入力する必要があるため、前もってこれらのパラメータを予備実験などにより把握していなければならない。
【０００７】
この発明の目的は、車両運動モデルを導入した複雑な制御系を構築することなく、路面左右の摩擦係数の違いや横風等に対する外乱安定化制御を簡単に実現することができるステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明のステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置は、車輪１３を転舵させる転舵軸１０と機械的に連結されていないハンドル１と、そのハンドル角度を検出するハンドル角センサ２と、前記転舵軸１０を駆動する転舵モータ１５とを有するステアバイワイヤ式操舵機構を制御する制御装置であって、
舵角指令のフィードフォワード値を生成するフィードフォワード値生成手段２１と、外乱補正用のフィードバックによる補正量を生成する外乱補正量生成手段２２と、前記フィードフォワード値と補正量とを加算して前記転舵モータを駆動する舵角指令を生成する比較手段２３とを有し、
前記フィードフォワード値生成手段２１は、前記ハンドル角センサ２で検出されたハンドル角にゲインを乗じてフィードフォワード値を演算し、
前記外乱補正量生成手段２２は、車速検出手段９で得た車両速度と前記ハンドル角センサ２で得たハンドル角から、車両に生じるヨーモーメントに起因する特定の物理量の目標値を演算し、車両に搭載されて前記物理量を検出する外乱検出手段２５による実測値が前記目標値に追従するように前記補正量を演算する、
ことを特徴とする。
【０００９】
この構成によると、次のように制御を行う。
(1) フィードフォワード値生成手段２１により、ハンドル角センサ２で検出されたハンドル角にゲインを乗じて、舵角指令値の主となるフィードフォワード値を演算する。
(2) 外乱補正量生成手段２２により、車両２０に生じるヨーモーメントに起因する特定の物理量の目標値を演算する。前記特定の物理量は、例えば、車両２０に生じる横加速度またはヨー角速度である。
(3) 外乱補正量生成手段２２により、外乱検出手段２５で検出された前記横加速度またはヨー角速度等の物理量の実測値が前記目標値に追従するように補正量を演算する。
(4) 比較手段２３により、前記フィードフォワード値と補正量とを加算して前記転舵モータ１５を駆動する舵角指令を生成する。
このように、車両２０に生じるヨーモーメントに起因する横加速度，ヨー角速度等の物理量につき、実測値が目標値に追従するようにフィードバック制御するため、路面状況や横風等による外乱を車両が受けても、その影響に左右され難い車両運動が実現出来る。しかも、車両運動モデルを導入した複雑な制御系を構築することなく、簡単に外乱安定化制御を実現することができる。
【００１０】
この発明において、前記外乱補正量生成手段２２は、例えば、前記車速検出手段９で得た車両速度および前記ハンドル角センサ２で得たハンドル角と、定められたゲインとから前記目標値を演算する目標値演算部２６と、この目標値演算部２６で演算した目標値と前記実測値との差を演算する比較部２７と、この差に対して定められた演算を施して前記補正量を演算する制御部２８とを有するものとしても良い。
【００１１】
この発明において、前記フィードフォワード値生成手段２１は、前記ハンドル角に乗じるゲインＫ2 を、前記車速検出手段９で得た車両速度によって変化させるようにしても良い。ステアバイワイヤによりＶＧＲＳ（Variable Gear Ratio Steering）を実現した車両では、車両速度に応じてオーバオールステアリング比が変化するため、フィードフォワード制御部２１のゲインＫ2は、車両速度の関数として与えても良い。これにより、より適切なフィードフォワード値が生成できる。
【００１２】
この発明において、前記外乱補正量生成手段２２は、前記目標値と実測値の差につき、比例制御、比例積分制御、および比例積分微分制御のいずれかを行うことで前記補正量を演算するものとしても良い。これにより、外乱を補正する効果が得られる。
【００１３】
前記外乱検出手段２５がジャイロセンサであっても良い。ジャイロセンサによると、横加速度またはヨー角速度が精度良く検出できる。
【００１４】
前記外乱検出手段２５は、車輪用軸受に設けられて車両２０の横力を検出する荷重センサ４１と、この荷重センサ４１の検出値から前記物理量を推定する推定手段４２とで構成しても良い。荷重センサ４１は、車両２０の姿勢制御等のために設けられることがあるが、その荷重センサ４１を用いることで、専用のセンサ類を追加することなく、この発明の外乱安定化制御が実現できる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明のステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置は、車輪を転舵させる転舵軸と機械的に連結されていないハンドルと、そのハンドル角度を検出するハンドル角センサと、前記転舵軸を駆動する転舵モータとを有するステアバイワイヤ式操舵機構を制御する制御装置であって、舵角指令のフィードフォワード値を生成するフィードフォワード値生成手段と、外乱補正用のフィードバックによる補正量を生成する外乱補正量生成手段と、前記フィードフォワード値と補正量とを加算して前記転舵モータを駆動する舵角指令を生成する比較手段とを有し、前記フィードフォワード値生成手段は、前記ハンドル角センサで検出されたハンドル角にゲインを乗じてフィードフォワード値を演算し、前記外乱補正量生成手段は、車速検出手段で得た車両速度と前記ハンドル角センサで得たハンドル角から、車両に生じるヨーモーメントに起因する特定の物理量の目標値を演算し、車両に搭載されて前記物理量を検出する外乱検出手段による実測値が前記目標値に追従するように前記補正量を演算するため、車両運動モデルを導入した複雑な制御系を構築することなく、路面左右の摩擦係数の違いや横風等に対する外乱安定化制御を簡単に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の一実施形態に係る制御装置を備えたステアバイワイヤ式操舵機構の概念構成図である。
【図２】同ステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置の概念構成のブロック図である。
【図３】同ステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置を用いる試験例の説明図である。
【図４】同試験例の実施形態の挙動を示すグラフである。
【図５】外乱補正を行わない場合の試験例の挙動を示すグラフである。
【図６】荷重センサを備えた車輪用軸受の断面図である。
【図７】同車輪用軸受の外方部材の側面図である。
【図８】ゲインＫ１を求める試験データのグラフである。
【図９】従来例のブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
この発明の一実施形態を図１〜図４と共に説明する。図１は、ステアバイワイヤ式操舵装置およびその制御装置の概略構成を示す。このステアバイワイヤ式操舵装置１００は、運転者が操舵するステアリングホイールからなるハンドル１と、ハンドル角センサ２と、操舵反力アクチュエータ４と、操舵輪である左右の車輪１３にナックルアーム１２およびタイロッド１１を介して連結された転舵用の軸方向移動自在な転舵軸１０と、この転舵軸１０を駆動する転舵軸駆動機構１４とを備える。
【００１８】
ハンドル１は、転舵軸１０と機械的に連結されておらず、転舵制御手段５を介して転舵軸駆動機構１４の転舵モータ１５を制御することで、転舵を行わせる。転舵軸駆動機構１４は、転舵モータ１５の回転運動を往復直線運動に変換して転舵軸１０を進退させる。操舵反力アクチュエータ４は、ハンドル１に操舵反力トルクを付与する駆動源であり、モータ等からなる。操舵角センサ２は、ハンドル１の操舵角を検出するセンサであり、レゾルバ、光学式または磁気式のエンコーダ等からなる。
【００１９】
転舵制御手段５は、車両の全体を制御するメインのＥＣＵ（電気制御ユニット）３の一部として、またはメインのＥＣＵ３とは別の電気制御ユニットとして設けられて、転舵の制御を行う手段である。ＥＣＵ３および前記別の電気制御ユニットは、マイクロコンピュータおよびその制御プログラムを含む電子回路等により構成される。転舵制御手段５は、転舵モータ１５を制御する転舵制御部７と、操舵反力アクチュエータ４を制御する操舵反力制御部８とを有する。このステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置は、主に上記転舵制御部７により構成される。
【００２０】
図２は、転舵制御部７の概念構成を示すブロック図である。転舵制御部７は、舵角指令のフィードフォワード値を生成するフィードフォワード値生成手段２１と、外乱補正用のフィードバックによる補正量を生成する外乱補正量生成手段２２と、前記フィードフォワード値と補正量とを加算して前記転舵モータ１５を駆動する舵角指令を生成する比較手段２３とを有する。
【００２１】
フィードフォワード値生成手段２１は、ハンドル角センサ２で検出されたハンドル角に演算部２４でゲインＫ2 を乗じてフィードフォワード値を演算する。上記のゲインＫ2については、外乱制御を行わない状態におけるオーバオールステアリング比の逆数をゲインＫ2 に設定する。
【００２２】
外乱補正量生成手段２２は、車速検出手段９で得た車両速度とハンドル角センサ２で得たハンドル角から、車両２０に生じるヨーモーメントに起因する特定の物理量の目標値を演算し、車両に搭載された外乱検出手段２５による前記物理量の実測値が前記目標値に追従するように補正量を演算する手段である。前記特定の物理量は、この実施形態では横加速度であり、外乱検出手段２５にはジャイロセンサが用いられている。
【００２３】
外乱補正量生成手段２２は、具体的には、目標値演算部２６と、比較部２７と、制御部２８とで構成される。目標値演算部２６は、車速検出手段９で得た車両速度およびハンドル角センサ２で得たハンドル角と、定められたゲインＫ１ とから前記目標値を演算する。比較部２７は、目標値演算部２６で演算した目標値と外乱検出手段２５の実測値との差を演算する。制御部２８は、比較部２７で求められた差に対して定められた演算を施して前記補正量を演算する。制御部２８は、定められた演算として、例えば比例積分制御（ＰＩ制御）を行う。なお、比例積分制御のパラメータは、車両挙動が振動的にならないようにチューニングする。
【００２４】
目標値演算部２６での演算に用いるゲインＫ１ は、例えば、外乱安定化制御を行わずに、車両速度とハンドル角を変えて定常円旋回を行った場合に生じる横加速度が目標値となるゲインとする。ゲインＫ１は、例えば次のような試験データに基づいて定める。
車両速度を数パターン変えて、ある半径の円を旋回（定常円旋回）したときの横加速度を予め調べておく。得られた一連のデータを横軸に車両速度を、縦軸に単位ハンドル角あたりの横加速度をとって整理すると図８のように直線で近似できるプロットとなる。この直線の傾きをゲインＫ１に設定する。
【００２５】
上記構成の作用を説明する。
(1) フィードフォワード値生成手段２１により、ハンドル角センサ２で検出されたハンドル角にゲインＫ2を乗じて、舵角指令値の主となるフィードフォワード値を演算する。  (2) 外乱補正量生成手段２２の目標演算部２６により、横加速度の目標値を演算する。  (3) 外乱検出手段２５で検出された横加速度の実測値と目標値を比較部２７で比較し、横加速度の実測値が目標値に追従するように、制御部２８により比例積分制御による補正量を演算する。すなわち、比例積分制御による実舵角の修正分を演算する。
(4) 比較手段２３により、フィードフォワード値生成手段２１で演算したフィードフォワード値と、外乱補正量生成手段２２で得た補正量とを加算して、転舵モータ１５を駆動する舵角指令を生成する。
これにより、外乱がある場合は実舵角の修正分（補正量）が発生し、外乱の影響を補正するよう車輪が転舵する。
【００２６】
このように、車両に生じる横加速度につき、実測値が目標値に追従するようにフィードバック制御するため、路面状況や横風等による外乱を車両が受けても、その影響に左右され難い車両運動が実現出来る。しかも、この実施形態の制御では車両運動モデルを用いないため、車輪１３のコーナリングパワーや車両２０のヨー慣性モーメントなど取得が容易でない車両パラメータを入力する必要はなく、簡単に外乱安定化制御が実現できる。
【００２７】
フィードフォワード値生成手段２１の演算部２４では、外乱制御を行わない状態におけるオーバオールステアリング比の逆数をゲインＫ2 に設定するため、外乱がない場合は、この外乱補正制御を適用しないときと同じ感覚、つまり普段の走行と同じ感覚でドライバーは運転することができる。
【００２８】
次に試験例を説明する。この実施形態の外乱安定化制御の効果を検証する試験を実施した。
制御の効果を検証するため、ハンドル１を中立位置に保った状態で図３に示すスプリットμ路（摩擦係数が左右で異なる路面）で急制動させる試験を行った。試験中、右輪は乾燥アスファルト（路面摩擦係数：大）の上に、左輪は潤滑剤で覆われたゴムシート（路面摩擦係数：小）の上を通過する。
【００２９】
このような路面で走行すると、外乱制御を行わない場合、ドライバーは直進状態のまま車両の向きを変えずに制動したい意思があるにも関わらず、急制動をかけると左右路面の摩擦係数差によって車両は時計周りにヨーイング運動してしまう。このヨーモーメントを外乱と考え、車両の向きを真っ直ぐな状態に維持すべく、この実施形態の外乱安定化制御が構成されている。
【００３０】
図５に、この実施形態の安定化制御を適用しない場合の横加速度の変化を示す。急制動をかけると車両２０が旋回してしまうため、大きな横加速度が発生していることが同図から確認できる。
【００３１】
図４に、この実施形態の制御を適用した場合の横加速度の変化を示す。急制動をかけても旋回しないよう実舵角が修正されるため、図５のような大きな横加速度は発生していないことが、同図からわかる。
【００３２】
なお、上記実施例では、横加速度を目標値としたが、ヨー角速度を目標値としても同様の効果は得られる。また、ステアバイワイヤによりVGRS（Variable Gear Ratio Steering）を実現した車両では、車両速度に応じてオーバオールステアリング比が変化するため、フィードフォワード値生成手段２１のゲインＫ2 は車両速度の関数として与えてもよい。さらに、フィードバックの外乱補正量生成手段２２の制御部２８は、必ずしもこの実施形態のように比例積分制御（ＰＩ制御）としなくても良く、比例制御（Ｐ制御）や、比例積分微分制御（ＰＩＤ制御）としても、外乱を補正する効果は得られる。
【００３３】
この実施例では、外乱検出手段２５として、ジャイロセンサを用いて横加速度を検知したが、この他に、例えば図６，図７に示す車輪用軸受（「ハブベアリング」とも言う）３１に内蔵されて横力の検出が可能な荷重センサ４１を用いて、車両の横加速度を推定してもよい。荷重センサ４１は、例えば、車両２０の前後の左右輪の車輪用軸受３１に設置する。推定手段４２は、これら４輪の車輪用軸受３１の荷重センサ４１の検出値から、車両２０の横加速度の推定値を演算する。推定手段４２は、例えば前記ＥＣＵに設けられていても、または専用の電荷回路として設けられていても良い。
【００３４】
このとき、横加速度aYは、次式で推定される。
【数１】
2013075614.tif 000003
と推定される。
【００３５】
ヨー角速度を目標値とした場合の実測値は次式で推定する。
【数２】
2013075614.tif 000004
【００３６】
図６，図７と共に、荷重センサ付きの車輪用軸受３１の一例を説明する。この車輪用軸受は、固定輪である外方部材５１と回転輪である内方部材５２の間に複列の転動体５３を介在させ、外方部材５１の有する車体取付用フランジ５１ａをナックル５５に取付け、内方部材５２の有する車輪取付用フランジ５２ａに車輪（同図には図示せず）が取付けられる。荷重センサ４１は、図７に示すように、外方部材５１の外周面における上下左右の４か所に取付けられている。各荷重センサ４１は、外方部材５１に取付けられて外方部材５１の歪みを直接に検出する歪みセンサであっても良い。また、各荷重センサ４１は、外方部材５１に複数箇所（例えぱ２〜３箇所）で接触させた歪み発生用部材（図示せず）とこの歪み発生用部材に貼り付けた歪みセンサ（図示せず）とで構成されて、外方部材５１の歪みでその歪みを拡大するように歪み発生用部材を歪ませ、この歪み発生用部材の歪みから前記荷重を検出するものであっても良い。
【符号の説明】
【００３７】
１…ハンドル
２…ハンドル角センサ
９…車速検出手段
１０…転舵軸
１３…車輪
１５…転舵モータ
２０…車両
２１…フィードフォワード値生成手段
２２…外乱補正量生成手段
２３…比較手段
２５…外乱検出手段
２６…目標値演算部
２７…比較部
２８…制御部
Ｋ１ ，Ｋ2 …ゲイン
【図１】
2013075614.tif 000005
【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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【図９】
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