技術論文

低速時の小回り性と自然な操舵フィーリングを両立した大舵角後輪操舵システムの開発
永井陽平

Yohei Nagai

土屋義明

Yoshiaki Tsuchiya

概 要
低速時小回り性の向上を主目的とした後輪操舵システムは,操舵時の違和感が課題となっている.今回違和感の解析を通して,大舵角後輪操舵システムで高い小回り性能と自然なフィーリングを両立する制御則を開発した.

1.

はじめに

1980年代,日本を中心に広まった後輪操舵システム：車速：車両重量：車両ヨー慣性：ホイールベース(以下4WS)は,低速時の取り回し性や高速時の車両安：フロントホイールベース定性に効果があった反面,操舵時の違和感や高コスト：リアホイールベースのためそのほとんどが姿を消した.

：前輪のコーナリングスティフネス

2000年代後半以降,車両安定性確保を目的に,特に：後輪のコーナリングスティフネス

高速時同相操舵によるヨーレートゲイン低下を改善する

式(1)(2)をラプラス変換し整理すると式(3)～(5)が得ための前後輪操舵システム1)2)やドライバフィーリングをられる.

考慮し快適性と安定性の両立を図った前後輪操舵シス
テム3)が提案され商品化されている.
また,4WSは自動駐車システムへの応用もあり近年採用する車両が増加している.しかし,低速の逆相操舵時「スネークフィーリング」などと表現されるドライバの違和感は後輪操舵による特徴との認識が強く制御量を制限する車両も多い.
今回,4WSの新たな制御則を開発し従来常識とされてきた逆相時の違和感を解消し,大舵角化による高い小回り性能と自然なフィーリングを両立した.
2.

制御則について対象とする前後輪操舵の車両は式(1)～(2)のような車両の線形二輪モデルで示す.
車両運動制御では,ヨー運動と横運動をそれぞれコントロールすることに加え,旋回時の車体姿勢(定常車体スリップ角)が重要な特性であることがわかっているため,本稿では以下の4点を目標特性とする.
①車体スリップ角の目標定常ゲイン②ヨーレートの目標定常ゲイン③横ジャークの目標過渡応答
凡例） ：車体スリップ角：前輪操舵角19

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：ヨーレート④ヨーレートの目標過渡応答：後輪操舵角前後輪のステア角を式(6)(7)のように表す.

常項：

,過渡項：

3.3

低速域における目標車両特性とした.の設定

3.3.1

凡例） ：前輪コントローラ定常項

技術論文

低速時の小回り性と自然な操舵フィーリングを両立した大舵角後輪操舵システムの開発から各速度域での狙いに対し,目標とする車両特性は定：後輪コントローラ定常項

狙いとする取り回し性向上,最小回転半径短縮は：前輪コントローラ微分項を小さくすれば可能であるが,4WSシステムの作動最大：後輪コントローラ微分項

角度の影響を受ける.図1は：ステアリングギア比

よびその時の舵角の関係を示す.ドライバがハンドルをとシステム最大角度お切り込んでいった際,システムの最大角度に飽和するこ：ステアリング角度とによる車両挙動変化を避けるためハンドル切れ角最ここでステアリング角度に対する目標車体スリッと目標ヨーレートを式(8)(9)のように記述

プ角

大値直前で最大角度に飽和させる.今回最大切れ角
6degのシステムを用いるためは0.37とした.

し,後輪操舵コントローラの制御ゲインを導出する.

また,今回の制御対象は後輪操舵制御のみであるため,
式(3)(6)(7)(8)(9)(10)から制御特性は,と決定される.また,このとき以下の式が得られる.

図1

3.3.2

操舵角に対する車体スリップ角ゲインの設定の値を決定するに当たりとを変更し前後席それぞれで官能評価を実施した結果を図2に示式(11)～(14)から,定常ゲインはヨーレートは車体スリップ角てもヨーレートもしくす.試験は交差点右左折,広場でのUターン,8の字走のどちらか一方,過渡応答につい行,スラロームを組み合わせたコースで行い,速度はもしくは横ジャークのどちらか一方を決めれば残る他方は計算により求まる.

全域30km/h以下である.
①2WS(=0.47)からのみ小さくした場合,操舵途中から後輪が外に動くように感じる典型的な違
3.
3.1

目標車両特性の設定
システムの狙い(ⅰ）
低速

違和感のない取り回し性向上,
最小回転半径短縮（ⅱ）
中速

操舵応答の向上（ⅲ）
高速

安心感の向上3.2

目標車両特性の決定

前後輪操舵システムの開発を通じて得られた知見 3)

和感(スネークフィーリング)が生じ,値が小さい程その程度も大きい②①からを大きくした場合,操舵初期から車両の動きの不自然さを感じ前後席共酔いを伴う違和感が強い③さらにを大きくした場合,2.6以上の領域で前後席共全く違和感なく後輪の操舵自体も感じない領域が存在する④③からを大きくした場合,約3.9以上にてドライ

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バは違和感を感じないが後席にて初期に進行方向と逆に動く違和感が生じる.以上からはあるものの,後輪操舵を感じる人は皆無であった.

を3.0に設定した.

図2

3.3.3

官能評価結果違和感の解析

=0.37一定とし,を変えたケース①から④につ

図3

操舵角およびヨーレートに対する横G（ケース①）

図4

操舵角およびヨーレートに対する横G（ケース②）

いて官能評価で差が明確であった,速い操舵での右左折を想定した条件(180deg/sec,車速15km/h)において,操舵ロボットを用い計測を行った結果を図3から図6に示す.ドライバ特性を調査した結果4)によれば低速域
では視 覚 でヨーレートを知 覚し, 体 感 で知 覚する横ジャークの閾値はヨーレートの閾値よりも小さいことが示されている.今回違和感を解析するに当たり,ヨーレー
トと横Gの相関と横Gの変化に着目した.違和感を感じる①,②のケースでは初期のヨーレートに対する横Gの値が大きく2deg/sec時に0.5m/s2以上である.さらに,その後の横Gの変化のためヨーレート/横G特性が非線形となっている.違和感の無い③,④のケースではヨーレート2deg/sec時に横Gが0.4m/s2以下と小さく,ヨーレート/横G特性は線形である.
以上から,ドライバは視覚でヨーレートを感じながら運転しているものの感度の高い横Gの変化を敏感に感じ,その絶対値と変化度合いで違和感を覚えていると考えられる.また,後席にて違和感を感じるケース④の前席,重心位置,後席それぞれの横Gの時間変化を図7に示す.後席では操舵初期旋回と逆方向に約0.4m/s2生
じ,その後順方向に急変する横Gを違和感と感じていることが解る.
尚,違和感を感じないケース③については,計226名の被験者で調査を行った.路面はドライアスファルトから圧雪路,アイスバーンまでと様々な条件で約1年間かけて実施した.結果,最大切れ角6degで約60cm短縮する旋回半径の小ささに驚きの違和感を示す一部の意見

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中高速における目標車両特性

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3.4

図8は舵角に対するヨーレートと横Gの時間差を示
す.中速域はを大きくすることで操舵応答性を向上させ,高速域はをゼロに近い値とすることで安心感を向上させている.

図5

操舵角およびヨーレートに対する横G（ケース③）

図8

3.5

操舵角に対するヨーレートおよび横Gの遅れ

目標車両特性のまとめ

以上の結果から目標車両特性は図9,10とした.また
車両パラメータから計算した4WSコントローラの特性は図11,12となる.

図9

図6

目標車体スリップ角ゲイン

操舵角およびヨーレートに対する横G（ケース④）

図10．目標ヨーレート過渡応答
図7

後席における横GAISIN TECHNICAL REVIEW VOL.25 2021

22図11

定常コントローラゲイン

図13

4.2

4WS操舵角に対する必要戻しトルク

速い繰り返し操舵の課題

低速域での違和感解消のためが大きな値となったためコントローラの過渡特性も従来の一般的な値に対し約10倍と非常に大きな値となった.前輪にステアリング機構を有する車両ではキングピン軸回りの共振周
図12

過渡コントローラゲイン

波数は前輪＜後輪のため速い左右の繰り返し操舵を行った場合,その周波数によって車両の運動モードが変4.
4.1

製品化における課題と対応
ハンドル戻りの課題化する.図14～図17は30km/h,舵角±30deg,0.5～2.5Hz入力時の車両重心位置横G,ヨーレートおよび前席,後席位置の横Gを示す.特に後席は2.5Hz時に横G4WSの大舵角化に伴い低速域では最小回転半径短±8m/s2と0.5Hzに比べ2倍以上に増加する.今回,あ縮が可能となるが回転中心が車両前方側に移動するたる値以上の操舵速度の正負のピークが一定時間以内め前輪のアッカーマン率が低下する.そのため,特にハに成立するとの条件で4WS作動を停止する仕様を織り

ンドル大舵角域でのハンドル戻りが悪化する.現在市販込み,通常の早い操舵に影響を及ぼすことなく課題を解車の多くが電気PSを採用しており操舵角に応じた戻り決した.図18,19に操舵周波数に対する前席,後席シー側のアシストトルク追加で対応している車両も多い.図

ト位置横Gのピーク値対策前後と2WSとの比較を示

13は大舵角,微低速一定走行中にハンドルが戻り始めす.約1.0Hz以上での後席横G増加が抑制できた.

るアシストトルクを調査した結果である.車両はFR車で2WSのアッカーマン率は58%である.4WSの大舵角化によって非常に大きなアシストトルクが必要で,6deg以上では電気PSの最大出力に近いアシストが必要である.

図14

重心位置におけるヨーレート

図1523AISIN TECHNICAL REVIEW VOL.25 2021

重心位置における横G前席における横G

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図16

参考文献
1）T.Katayama et al.:Development of 4 Wheel Active
Steer,SAE World Congress 2008-01-0495,(2008)2）M.Schuster et sl.:The New Steering System of BMW The Integral Active Steering.
3）リムピバンテン ティーラワット他：ドライバー快適性と車両安定性を両立した前後輪操舵システムの開発,自動車技術会学術講
演会前刷集,No.20125082,(2012)4）服部義和 他：人間の感受性を考慮した４輪アクティブステア制
御,自動車技術会学術講演会前刷集No.20075879,(2007)
ANALYSIS”FISITA,2008/9 F2008-03-012

筆 者

永井 陽平
走行安全第二制御技術部
4WSシステムの開発に従事

図17

後席における横G土屋義明

走行安全第二制御技術部
4WSシステムの開発に従事

図18

前席における操舵角に対する横Gの比較

図19

後席における操舵角に対する横Gの比較

5.

まとめ

車体スリップ角定常項とヨーレートの過渡項:を目標車両特性とした4WSの制御則を開発し,低速で大舵角にも関わらず従来の後輪操舵の特徴である違和感を解消した.さらに,それに伴う課題も解決し製品化可能な大舵角4WSシステムを開発した.

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