JP2004155244A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反力制御の指令値に目標舵角と実舵角の偏差に基づくフィードバック制御量を加え、ハンドルの発振・発散を抑制する車両用操舵装置を得る。
【解決手段】ハンドル角検出手段１２、ハンドル１に印加される反力トルクを検出する反力トルク検出手段１０、車輪舵角を検出する車輪舵角検出手段１１、反力トルクの目標値である目標反力を生成する目標反力生成手段１５、目標反力と検出される反力トルクが一致するように副操舵機構を駆動制御する反力トルク制御手段１６、操舵車輪の目標操舵角を生成する目標車輪舵角生成手段１３、操舵車輪制御機構を制御する操舵機構駆動手段９、目標車操舵角と車輪舵角検出手段の出力が一致するように操舵機構駆動手段を駆動する車輪舵角制御手段１４、目標車輪舵角と車輪舵角検出手段の出力の偏差に基づくフィードバック制御量を反力トルク制御手段１６の出力に付加する車輪舵角補償手段１７を備える。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両用操舵装置に関し、たとえば、運転者のハンドル操作量を補償する為の自動操舵の実施や、自動運転のための操舵を実施する場合に必要な副操舵機構を備える操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両の操舵特性、即ちハンドルの操作量に対する実際の車体進行方向の変化が最適になるように、補助的に車輪の向きを自動制御したり、あるいは車両の走行位置が所定の車線を維持するようにドライバに代わって自動的に操舵系を駆動制御したりすることが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、モータ及びステアリングホイールが振動するのを防止すると共に、制御系の起動時にステアリングホイールが急激に回転するのを防止し、操舵時においては応答性を向上させるものが提案されている（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２０６５５３号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４５０９３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例では、ハンドルと操舵車輪が機構的に連結しているが、各々独立して動作できる車両用操舵装置において、ハンドルの収斂性が悪いため、ハンドル角とピニオン角との比率を変更した時にハンドルが発振・発散してしまうという問題点があった。
【０００６】
この発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、反力制御の指令値に目標舵角と実舵角の偏差に基づくフィードバック制御量を加え、ハンドルの発振・発散を抑制することのできる車両用操舵装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明に係る車両用操舵装置は、運転者が操作するハンドルと電気的制御自在な副操舵機構とにより操舵車輪を転舵する操舵車輪制御機構を有する車両用操舵装置において、前記ハンドルの操舵角を検出するハンドル角検出手段と、前記ハンドルと前記副操舵機構との間に設置されてハンドルに印加されている反力トルクを検出する反力トルク検出手段と、前記副操舵機構と前記操舵車輪との間に設置され、操舵車輪の車輪舵角に相当する角度を検出する車輪舵角検出手段と、前記ハンドルに印加する反力トルクの目標値である目標反力を生成する目標反力生成手段と、前記目標反力生成手段により生成される目標反力と前記反力トルク検出手段により検出される反力トルクが一致するように前記副操舵機構を駆動制御する反力トルク制御手段と、前記操舵車輪の目標操舵角を生成する目標車輪舵角生成手段と、前記操舵車輪制御機構を制御する操舵機構駆動手段と、前記目標車輪舵角生成手段により生成される目標車操舵角と前記車輪舵角検出手段の出力が一致するように前記操舵機構駆動手段を駆動する車輪舵角制御手段と、前記目標車輪舵角生成手段により生成される目標車輪舵角と前記車輪舵角検出手段の出力の偏差に基づくフィードバック制御量を前記反力トルク制御手段の出力に付加する車輪舵角補償手段とを備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の実施の形態１に係る車両用操舵装置を示す構成図である。
図１に示す車両用操舵装置において、ハンドル１は運転者により操舵され、操舵車輪７ａ，７ｂを操舵するものである。電気的制御自在な副操舵機構としての第１の遊星ギア機構２は、ハンドル１と連結されたサンギア２０１と、キャリア機構２０３にて支持されている遊星ギア２０２ａ，２０２ｂと、リングギア２０４と、リングギア２０４を回転させるためのウォームホイール２０５によって構成されている。
【０００９】
また、電気的制御自在な副操舵機構としての第２の遊星ギア機構３は、サンギア３０１と、シャフト４を介して前記第１の遊星ギア機構のキャリア機構２０３と連結されたキャリア機構３０３にて支持されている遊星ギア３０２ａ，３０２ｂと、固定されたリングギア３０４とにより構成される。そして、シャフト４は、前記第１の遊星ギア機構２のキャリア機構２０３と、前記第２の遊星ギア機構３のキャリア機構３０３を連結して、動力を伝達する。
【００１０】
操舵車輪を転舵する操舵機構としてのラックアンドピニオン方式の操舵車輪制御機構５は、前記第２の遊星ギア機構３のサンギア３０１と機械的に連結されたラックアンドピニオン５０１を有し、操舵用アクチュエータとして用いる操舵機構駆動手段９と、ラックアンドピニオン５０１を回転させるための逆転可能なウォームホイール５０２とが接続されている。また、操舵車輪７ａ，７ｂは、ナックルアーム６ａ，６ｂを介して前記ラックアンドピニオン５０１と接続されている。
【００１１】
また、反力トルク生成手段８は、ハンドル１に反力トルクを与えるものであり、反力用モータ８０１と、前記第１の遊星ギア機構２のウォームホイール２０５に噛み合うウォームギア８０２により構成される。ここで、ウォームホイール２０５が動作してもウォームギア８０２は回転しないようにセルフロックが可能な構成となっている。
【００１２】
操舵機構駆動手段９は、操舵車輪制御機構５を駆動するもので、操舵用モータ９０１と、操舵車輪制御機構５のウォームホイール５０２に噛み合うウォームギア９０２とによって構成される。ただし、ウォームホイール５０２とウォームギア９０２の組み合わせは、ウォームホイール５０２側からでも回転が可能な構成、即ち、逆転可能な構成である。
【００１３】
また、反力トルク検出手段１０は、ハンドル１に生じている反力トルクを検出し、実操舵角検出手段１１は、操舵車輪７ａ，７ｂの操舵角を検出し、ハンドル角検出手段１２は、ハンドル１の操舵角を検出する。
【００１４】
目標車輪舵角生成手段１３は、例えばハンドル角検出手段１２の出力１２０１や、他システム（例えば、車線維持装置）からの操舵要求信号２０、車両状態信号（例えば、車速・ヨーレートなど）２０等から、必要な操舵角を計算し目標車輪舵角１３０１を生成するものである。車輪舵角制御手段１４は、目標車輪舵角１３０１と車輪舵角検出手段出力１１０１が等しくなるよう、操舵機構駆動手段９を駆動して操舵車輪７ａ，７ｂの操舵角を制御するものである。
【００１５】
目標反力生成手段１５は、ハンドル１を介して運転者に与える反力トルク目標値を設定し、例えばハンドル角検出手段１２の出力１２０１や、車両状態信号（例えば、車速・ヨーレートなど）２１等から、適当な反力を計算し目標反力トルク１５０１を生成するものである。
【００１６】
反力トルク制御手段１６は、目標反力トルク１５０１と反力トルク検出手段１０の出力１００１が一致するよう、反力用モータ８の駆動トルクを制御することによってハンドル１に印加される反力トルクを制御するものであり、目標反力トルク１５０１と反力トルク検出手段１０の出力１００１との偏差をもとにＰＩＤ制御器などで、反力用トルク生成手段８の反力用電気モータ８０１への駆動電流を制御することにより、反力トルクを制御している。
【００１７】
車輪舵角補償手段１７は、目標車輪舵角生成手段１３の出力である目標車輪舵角１３０１と、車輪舵角検出手段の出力１１０１とを入力し、所定の演算が施されたフィードバック制御量１７０１を出力する。前記フィードバック制御量１７０１は、反力トルク制御手段１６の出力に加算され、反力用電気モータ８０１を駆動するものである。
【００１８】
図２は、前記反力トルク制御手段１６と車輪舵角補償手段１７の動作を説明するための図である。図２に示すように、反力トルク制御手段１６には、目標反力生成手段１５の出力１５０１と反力トルク検出手段１０の出力１００１が入力され、偏差が計算され、偏差に検出トルクが目標反力を追従するような係数Ｋ１が乗じられて出力される。また、車輪舵角補償手段１７には、目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１と車輪舵角検出手段１１の出力１１０１が入力され、偏差が計算される。この偏差に、ハンドルが発振・発散しないような係数Ｋ２が乗じられる。この計算結果は、車輪舵角補償手段１７のフィードバック制御量１７０１となる。フィードバック制御量１７０１は、反力トルク制御手段１６の出力１６０１に加算され、反力用電気モータ８０１を駆動する。
【００１９】
次に、動作について説明する。図１に示す副操舵機構を備えた装置における反力トルクは、一般的に、
Ｔｈ＝Ｔｓ×（θｈ−θｓ） （１）
Ｔｈ：反力トルク
Ｔｓ：反力検出手段１０のバネ定数
θｈ：ハンドル角
θｓ：サンギア２０３の角度
となる。
【００２０】
また、サンギア２０３の角度θｓは、第１の遊星ギア機構２のキャリア２０３の角度θｃとリングギア２０４の角度θｒにより結滞される。ここで、第１の遊星ギア機構２を構成するギアの幾何で決定される、キャリア−サンギア減速比をＧｃ、リングギア−サンギア減速比をＧｒとすると、
θｓ＝Ｇｃ×θｃ−Ｇｒ×θｒ （２）
の関係が成り立つ。
【００２１】
一方、車輪舵角に相当するピニオン角θｐは、ハンドル角θｈから生成される目標車輪舵角に制御される。また、第２の遊星ギア機構３の構成は第１の遊星ギア機構２と同等であるので、
θｃ＝１／Ｇｃ×θｐ （３）
となる。式（１）〜（３）より、
Ｔｈ＝Ｔｓ×｛（θｈ−θｐ）＋Ｇｒ×θｒ｝ （４）
が成立する。
【００２２】
ここで、目標反力トルクをＴｒとすると、反力トルク制御手段１６は、Ｔｒ−Ｔｈ＝０が成立するように、リングギア２０４の回転角θｒを制御する。従って、
Ｔｒ−Ｔｈ＝Ｔｒ−Ｔｓ×｛（θｈ−θｐ）＋Ｇｒ×θｒ｝＝０
となり、この式を変更すると、
θｒ＝Ｔｒ／（Ｔｓ×Ｇｒ）―（θｈ−θｐ）／Ｇｒ
となるように、反力トルク制御手段１６は、リングギア２０４の回転角θｒを制御する。
【００２３】
運転者がハンドル１を操舵中は、ハンドル角θｈとサンギア２０３の角度θｓとで偏差が生じ、式（１）が成立するので反力トルク制御が成立する。操舵輪７ａ，７ｂからハンドル１へ伝達される回転は、反力トルク制御が成立しているので、第１の遊星ギア機構２のリングギア２０４の回転角度θｒにより打ち消される。そのため、ハンドル角θｈから生成される目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１と車輪舵角検出手段１１の出力１１０１の偏差は生じないので、車輪舵角補償手段１７の出力１７０１は０となり、反力トルク制御手段１６の出力１６０１に付加されない。つまり、車輪舵角補償手段１７は、運転者がハンドル１から手を離している状態である反力トルク制御が成立していないときに効果を表し、運転者がハンドル１を操舵しているときは、車輪舵角補償の影響を与えない。
【００２４】
運転者が操舵中にハンドル１から手を離すと、式（１）が成立しなく反力制御が成立しないので、第１の遊星ギア機構２のウォームギア８０２とウォームホイール２０５はセルフロックし、反力による操舵輪７の切り戻り角はハンドル１に伝達される。
【００２５】
転舵比が１の場合は、ピニオン角θｐの切り戻り角は、ハンドル１の戻り角と等しいので、図３のＡに示すように、ハンドル角θｈから生成される目標車輪舵角の出力１３０１と車輪舵角検出手段の出力１１０１は一致し、偏差が生じないので、反力トルク制御が成立しなくても、ハンドル１は、図３のＢに示すように収斂する。
【００２６】
また、目標車輪舵角生成手段の出力１３０１と車輪舵角検出手段の出力１１０１の偏差が０なので、図３Ｃに示すように、車輪舵角補償手段の出力１７０１は０となり、反力用電気モータ８の駆動電流は、反力トルク制御手段の出力１６０１のみとなる。
【００２７】
転舵比が１以上の場合、操舵中に運転者がハンドル１から手を離すと、式（１）が成立しなく反力制御が成立しないので、第１の遊星ギア機構２のウォームギア８０２とウォームホイール２０５はセルフロックし、反力による操舵輪７の切り戻り角はハンドル１に伝達され、ハンドル１は、操舵輪７の車輪舵角分、つまりピニオン角θｐで動く。
【００２８】
ハンドル１は、ハンドル１の中立点からピニオン角θｐからハンドル角θｈを引いた分、更に動かされることになり、図４のＡに示すように、ハンドル角θｈから生成される目標操舵車輪角の出力１３０１と車輪舵角検出手段の出力１１０１とで偏差が生じる。この偏差にハンドル１が発振・発散しないような係数Ｋ２が乗じられ、図４のＣに示すようなフィードバック量１７０１が反力トルク制御手段の出力１６０１に付加されることにより、目標車輪舵角の出力１３０１と車輪舵角検出手段の出力１１０１が一致し、図４のＢに示すように、ハンドル１の発振・発散を抑制され、ハンドル収斂性を改善している。
【００２９】
なお、実施の形態では、車輪舵角補償手段１７によるフィードバック制御量１７０１は、比例制御によるフィードバック量を反力トルク制御手段１６の出力に付加することでハンドル１の発散・発振を抑制しているが、この構成に限定するものではなく、例えば微分制御によるフィードバック量や比例制御と微分制御によるフィードバック量、もしくは遅れフィルタを入れた位相補償制御によるフィードバック量など、目標車輪舵角の出力１３０１と車輪舵角検出手段１１の出力１１０１との偏差を無くすようなフィードバック量であればよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、目標車輪舵角生成手段の出力と車輪舵角検出手段の出力の偏差に基づくフィードバック制御量を、反力トルク制御手段の出力に付加したもので、目標車輪舵角と車輪舵角検出手段の出力とで偏差が生じた時に、目標車輪舵角と車輪舵角を一致させることにより、ハンドルが発振・発散を抑制し、ハンドルの収斂性を改善でき、違和感のない車両用操舵装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る車両用操舵装置の構成図である。
【図２】図１の反力制御手段と車輪舵角補償手段の動作を示すブロック図である。
【図３】転舵比１の時のハンドル角と目標車輪舵角・車輪舵角、及び図１の車輪舵角補償手段の出力を示す図である。
【図４】図１の車輪舵角補償手段の効果を示す図である。
【符号の説明】
１ ハンドル、２ 電気的制御自在な副操舵機構を構成する第１の遊星ギア機構、３ 電気的制御自在な副操舵機構を構成する第２の遊星ギア機構、５ 操舵輪を操舵するための操舵車輪制御機構、６ａ，６ｂ ナックルアーム、７ａ，７ｂ 操舵車輪、８ 反力トルク生成手段、９ 操舵機構駆動手段、１０ 反力トルク検出手段、１１ 車輪舵角検出手段、１２ ハンドル角検出手段、１３ 目標車輪舵角生成手段、１４ 車輪舵角制御手段、１５ 目標反力生成手段、１６反力トルク制御手段、１７ 車輪舵角補償手段、２０ 他システムからの操舵要求信号、２１ 車両状態信号。

Claims (1)

1. 運転者が操作するハンドルと電気的制御自在な副操舵機構とにより操舵車輪を転舵する操舵車輪制御機構を有する車両用操舵装置において、
   前記ハンドルの操舵角を検出するハンドル角検出手段と、
   前記ハンドルと前記副操舵機構との間に設置されてハンドルに印加されている反力トルクを検出する反力トルク検出手段と、
   前記副操舵機構と前記操舵車輪との間に設置され、操舵車輪の車輪舵角に相当する角度を検出する車輪舵角検出手段と、
   前記ハンドルに印加する反力トルクの目標値である目標反力を生成する目標反力生成手段と、
   前記目標反力生成手段により生成される目標反力と前記反力トルク検出手段により検出される反力トルクが一致するように前記副操舵機構を駆動制御する反力トルク制御手段と、
   前記操舵車輪の目標操舵角を生成する目標車輪舵角生成手段と、
   前記操舵車輪制御機構を制御する操舵機構駆動手段と、
   前記目標車輪舵角生成手段により生成される目標車操舵角と前記車輪舵角検出手段の出力が一致するように前記操舵機構駆動手段を駆動する車輪舵角制御手段と、
   前記目標車輪舵角生成手段により生成される目標車輪舵角と前記車輪舵角検出手段の出力の偏差に基づくフィードバック制御量を前記反力トルク制御手段の出力に付加する車輪舵角補償手段と
   を備えたことを特徴とする車両用操舵装置。

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