JP2024124231A - Steering gear - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電動アクチュエータ、および油圧アクチュエータを備える操舵装置に関する。 The present invention relates to a steering device equipped with an electric actuator and a hydraulic actuator.
従来、大型の車両などには、電動アクチュエータ、および油圧アクチュエータが設けられた操舵装置が用いられる場合がある。例えば、特許文献1に記載の操舵装置は、車速に応じて電動アクチュエータが担う操舵用補助トルクと油圧アクチュエータが担う操舵用補助トルクとを分配している。 Conventionally, steering devices equipped with electric actuators and hydraulic actuators have been used in large vehicles. For example, the steering device described in Patent Document 1 distributes the steering assist torque provided by the electric actuator and the steering assist torque provided by the hydraulic actuator according to the vehicle speed.
電動、および油圧のアクチュエータが設けられた操舵装置において、油圧アクチュエータの故障状況によっては、電動アクチュエータを用いることにより操舵補助を行うことが可能な場合があることを本発明者は見出すに至った。 The inventor has discovered that in a steering device equipped with electric and hydraulic actuators, depending on the failure condition of the hydraulic actuator, it may be possible to provide steering assistance by using an electric actuator.
本発明は、発明者の知見に基づきなされたものであり、電動アクチュエータを用いて操舵を続行させることができる油圧アクチュエータの故障モードを切り分けることができる操舵装置の提供を目的としている。 The present invention was made based on the inventor's findings, and aims to provide a steering device that can isolate failure modes of a hydraulic actuator while allowing steering to continue using an electric actuator.
上記目的を達成するために、本発明の1つである操舵装置は、操舵軸体を回転させて転舵輪を転舵する転舵機構と、前記転舵機構に補助駆動力を付与する油圧機構と、前記操舵軸体に第一トルクを付与する第一電動モータと、前記第一電動モータを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記操舵軸体を回転させる回転角を取得する回転角取得部と、前記操舵軸体に入力される第二トルクを取得するトルク取得部と、前記油圧機構の状態を示す状態情報を取得する油圧状態取得部と、前記第一トルク、前記第二トルク、および前記回転角に基づき前記転舵輪の転舵不良を検出する転舵不良検出部と、前記転舵不良が検出された場合、前記第一電動モータの出力を増加させることで前記転舵輪の転舵が可能である救済モードか否かを、前記状態情報を用いて判別する判別部と、を備える。 In order to achieve the above object, a steering device according to the present invention includes a steering mechanism that rotates a steering shaft to steer the steered wheels, a hydraulic mechanism that applies an auxiliary driving force to the steering mechanism, a first electric motor that applies a first torque to the steering shaft, and a control device that controls the first electric motor. The control device includes a rotation angle acquisition unit that acquires a rotation angle at which the steering shaft is rotated, a torque acquisition unit that acquires a second torque input to the steering shaft, a hydraulic state acquisition unit that acquires state information indicating the state of the hydraulic mechanism, a steering failure detection unit that detects a steering failure of the steered wheels based on the first torque, the second torque, and the rotation angle, and a discrimination unit that, when the steering failure is detected, uses the state information to determine whether or not the device is in a rescue mode in which the steered wheels can be steered by increasing the output of the first electric motor.
本発明によれば、操舵軸体への入力に対する転舵輪の転舵不良が発生した場合であっても、第一電動モータの出力を増加させて転舵輪を応急措置的に転舵し車両走行における安全を確保することができる。 According to the present invention, even if the steered wheels fail to turn properly in response to the input to the steering shaft, the output of the first electric motor can be increased to steer the wheels as a temporary measure, ensuring safety during vehicle travel.
以下、本発明に係る操舵装置の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を説明するために一例を挙示するものであり、本発明を限定する主旨ではない。例えば、以下の実施の形態において示される形状、構造、材料、構成要素、相対的位置関係、接続状態、数値、数式、方法における各段階の内容、各段階の順序などは、一例であり、以下に記載されていない内容を含む場合がある。また、平行、直交などの幾何学的な表現を用いる場合があるが、これらの表現は、数学的な厳密さを示すものではなく、実質的に許容される誤差、ずれなどが含まれる。また、同時、同一などの表現も、実質的に許容される範囲を含んでいる。 Below, an embodiment of the steering device according to the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the following embodiment is presented as an example to explain the present invention, and is not intended to limit the present invention. For example, the shapes, structures, materials, components, relative positional relationships, connection states, numerical values, mathematical expressions, the contents of each step in the method, and the order of each step shown in the following embodiment are merely examples, and may include contents not described below. In addition, while geometric expressions such as parallel and orthogonal may be used, these expressions do not indicate mathematical strictness, and include substantially acceptable errors, deviations, and the like. In addition, expressions such as simultaneous and identical also include substantially acceptable ranges.
また、図面は、本発明を説明するために適宜強調、省略、または比率の調整を行った模式的な図となっており、実際の形状、位置関係、および比率とは異なる。 The drawings are schematic diagrams in which emphasis, omissions, or proportions have been appropriately adjusted in order to explain the present invention, and may differ from the actual shapes, positional relationships, and proportions.
また、以下では複数の発明を一つの実施の形態として包括的に説明する場合がある。また、以下に記載する内容の一部は、本発明に関する任意の構成要素として説明している。 In addition, multiple inventions may be collectively described below as a single embodiment. Some of the content described below is also described as an optional component of the present invention.
図1は、操舵装置を備えるステアリングシステム200を模式的に表す図である。ステアリングシステム200は、目標舵角に応じて転舵輪220を転舵し、ステアリングシステム200が搭載される車両の走行方向を操作するシステムである。ステアリングシステム200は、操舵装置100と、操作入力手段210と、自動制御装置250と、を備えている。 Figure 1 is a schematic diagram of a steering system 200 equipped with a steering device. The steering system 200 is a system that steers steered wheels 220 according to a target steering angle and controls the traveling direction of a vehicle in which the steering system 200 is installed. The steering system 200 includes a steering device 100, an operation input means 210, and an automatic control device 250.
操作入力手段210は、ステアリングホイール等の操作部材211を運転者が操作し、運転者が意図する目標舵角を出力する装置である。本実施の形態の場合、図1に示すように、操作入力手段210は、操作部材211と、操作軸体212と、目標舵角検出手段213と、トルク検出装置214、を備えている。なお、操作入力手段210は、反力装置などを備えても構わない。 The operation input means 210 is a device that outputs a target steering angle intended by the driver when the driver operates an operating member 211 such as a steering wheel. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the operation input means 210 includes an operating member 211, an operating shaft 212, a target steering angle detection means 213, and a torque detection device 214. Note that the operation input means 210 may also include a reaction force device or the like.
操作軸体212は、操作部材211に機械的に連結され、操作部材211の操作に応じて回転する棒状の部材である。本実施の形態の場合、操作軸体212は、反力手段(不図示)に接続され、操作部材211を操作する運転者に対し運転状態に応じた操舵感覚などを付与する反力が加えられる。 The operating shaft 212 is a rod-shaped member that is mechanically connected to the operating member 211 and rotates in response to the operation of the operating member 211. In this embodiment, the operating shaft 212 is connected to a reaction means (not shown), and a reaction force is applied to the driver operating the operating member 211 to give the driver a steering sensation according to the driving state.
操作軸体212と転舵機構150との接続態様は、特に限定されるものではない。本実施の形態の場合、操舵軸体119と操作軸体212とが機械的に連結されることにより、運転者が操作部材211を操作することにより転舵機構150に第二トルクが付与される。なお、自動運転中においては、クラッチなどを用いて操作軸体212と操舵軸体119との機械的連結を切り離しても構わない。 The manner of connection between the operating shaft 212 and the steering mechanism 150 is not particularly limited. In the present embodiment, the steering shaft 119 and the operating shaft 212 are mechanically connected, and the second torque is applied to the steering mechanism 150 when the driver operates the operating member 211. During automatic driving, the mechanical connection between the operating shaft 212 and the steering shaft 119 may be separated using a clutch or the like.
目標舵角検出手段213は、操作部材211の回転角を検出し目標舵角として出力する装置である。本実施の形態の場合、目標舵角検出手段213は、操作軸体212の回転を操作部材211の回転として検出している。目標舵角検出手段213の種類は、特に限定されるものではないが、例えばレゾルバ、ロータリーエンコーダなどを例示できる。 The target rudder angle detection means 213 is a device that detects the rotation angle of the operating member 211 and outputs it as a target rudder angle. In this embodiment, the target rudder angle detection means 213 detects the rotation of the operating shaft body 212 as the rotation of the operating member 211. The type of the target rudder angle detection means 213 is not particularly limited, but examples include a resolver and a rotary encoder.
トルク検出装置214は、操作軸体212から操舵軸体119に入力される第二トルクを検出する。トルク検出装置214の種類は、限定されるものではないが、本実施の形態の場合、トルク検出装置214は、操作軸体212と操舵軸体119の間に介在配置されるトーションバーの捩れ量に基づき第二トルクを検出している。 The torque detection device 214 detects the second torque input from the operating shaft 212 to the steering shaft 119. The type of the torque detection device 214 is not limited, but in this embodiment, the torque detection device 214 detects the second torque based on the amount of twist of a torsion bar disposed between the operating shaft 212 and the steering shaft 119.
自動制御装置250は、ステアリングシステム200が搭載されている車両を自動運転するためのECU(Electronic Control Unit)の1つである。本実施の形態の場合、自動制御装置250は、車両外部の障害物、道路上の白線、信号などに関する情報を、例えばカメラ251、レーザーライダー252などのセンサから取得し、取得した情報に基づき自動運転に対応した目標舵角を逐次生成して操舵装置100の制御装置130に出力する。なお、制御装置130は、自動制御装置250から第二トルクの推定値を取得してもかまわない。 The automatic control device 250 is one of the ECUs (Electronic Control Units) for automatically driving the vehicle equipped with the steering system 200. In this embodiment, the automatic control device 250 acquires information on obstacles outside the vehicle, white lines on the road, traffic lights, etc. from sensors such as a camera 251 and a laser rider 252, and sequentially generates a target steering angle corresponding to automatic driving based on the acquired information and outputs it to the control device 130 of the steering device 100. Note that the control device 130 may acquire an estimated value of the second torque from the automatic control device 250.
操舵装置100は、目標舵角に基づいて転舵輪220を転舵し、車両を操向する装置であり、転舵機構150と、駆動装置110と、油圧機構140と、制御装置130と、を備えている。 The steering device 100 is a device that steers the steered wheels 220 based on a target steering angle to steer the vehicle, and includes a steering mechanism 150, a drive unit 110, a hydraulic mechanism 140, and a control device 130.
転舵機構150は、転舵輪220を転舵させるための機構である。転舵機構150は、特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、ラック・アンド・ピニオンが採用されている。具体的に転舵機構150は、ピニオンシャフト151と、ラックシャフト152と、タイロッド153と、を備えている。 The steering mechanism 150 is a mechanism for steering the steered wheels 220. Although there is no particular limitation to the steering mechanism 150, in this embodiment, a rack and pinion is used. Specifically, the steering mechanism 150 includes a pinion shaft 151, a rack shaft 152, and a tie rod 153.
ピニオンシャフト151は、ラックシャフト152に設けられたラックと噛み合うピニオンを備えた棒状の部材である。ピニオンシャフト151は、操舵装置100に連結されており、駆動装置110からトルクが付与されて回転し、ラックシャフト152の軸方向にラックシャフト152を移動させる。 The pinion shaft 151 is a rod-shaped member equipped with a pinion that meshes with a rack provided on the rack shaft 152. The pinion shaft 151 is connected to the steering device 100, and rotates when torque is applied from the drive device 110, moving the rack shaft 152 in the axial direction of the rack shaft 152.
ラックシャフト152は、外周面の一部にピニオンシャフト151と噛み合うラックが設けられ、ピニオンシャフト151の回転を、ラックシャフト152の軸方向の移動量に変換し、タイロッド153を介して転舵輪220を旋回させる部材である。ラックシャフト152には、油圧機構140が接続されており、油圧によって転舵輪220を転舵するためのアシスト力が付与される。ラックシャフト152は、車体に取り付けられたラックハウジング内に収容され、ラックハウジングによりラックシャフト152の移動が案内されている。 The rack shaft 152 is a member that has a rack on part of its outer periphery that meshes with the pinion shaft 151, converts the rotation of the pinion shaft 151 into the axial movement of the rack shaft 152, and turns the steered wheels 220 via the tie rod 153. A hydraulic mechanism 140 is connected to the rack shaft 152, and an assist force is applied to steer the steered wheels 220 by hydraulic pressure. The rack shaft 152 is housed in a rack housing attached to the vehicle body, and the movement of the rack shaft 152 is guided by the rack housing.
駆動装置110は、転舵機構150に操舵軸体119を介して接続され、転舵機構150に第一トルクを付与する装置である。駆動装置110の構成は、特に限定されるものではないが、本実施形態の場合、駆動装置110は、第一電動モータ111と、減速機112と、を備え、第一電動モータ111の出力軸体(不図示)は、減速機112を介して操舵軸体119に連結されている。駆動装置110が転舵機構150に付与するトルクである第一トルクは、正常な状態の油圧機構140が転舵機構150に付与するアシスト力よりもかなり小さい。例えば、転舵輪220を転舵させる力のほとんどは油圧転舵力であり、第一トルクは、転舵輪220の舵角、および転舵方向を制御するための制御力として転舵機構150に伝達される程度である。 The drive device 110 is connected to the steering mechanism 150 via a steering shaft 119 and applies a first torque to the steering mechanism 150. The configuration of the drive device 110 is not particularly limited, but in this embodiment, the drive device 110 includes a first electric motor 111 and a reduction gear 112, and the output shaft (not shown) of the first electric motor 111 is connected to the steering shaft 119 via the reduction gear 112. The first torque, which is the torque applied by the drive device 110 to the steering mechanism 150, is significantly smaller than the assist force applied by the hydraulic mechanism 140 to the steering mechanism 150 in a normal state. For example, most of the force that steers the steered wheels 220 is a hydraulic steering force, and the first torque is transmitted to the steering mechanism 150 as a control force for controlling the steering angle and steering direction of the steered wheels 220.
本実施の形態の場合、駆動装置110は、回転角検出手段113を備えている。回転角検出手段113は、第一電動モータ111の出力軸の回転角を検出し、検出回転角として出力する装置である。回転角検出手段113の種類は、特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、回転角検出手段113は、第一電動モータ111の出力軸と共に回転する主歯車と、主歯車に噛み合う径の異なる二つの従動歯車とを備え、従動歯車にそれぞれ備えられた永久磁石の回転をホール素子などで検出することにより出力軸の回転角度ばかりでなく回転方向も検出できるものとなっている。なお、回転角検出手段113は、レゾルバ、ロータリーエンコーダなどを備えたものでもかまわない。 In this embodiment, the drive device 110 is equipped with a rotation angle detection means 113. The rotation angle detection means 113 is a device that detects the rotation angle of the output shaft of the first electric motor 111 and outputs it as a detected rotation angle. The type of the rotation angle detection means 113 is not particularly limited, but in this embodiment, the rotation angle detection means 113 is equipped with a main gear that rotates together with the output shaft of the first electric motor 111 and two driven gears of different diameters that mesh with the main gear, and is capable of detecting not only the rotation angle of the output shaft but also the rotation direction by detecting the rotation of the permanent magnets provided on each of the driven gears using a hall element or the like. The rotation angle detection means 113 may be equipped with a resolver, a rotary encoder, or the like.
油圧機構140は、ピニオンシャフト151の回転角などに応じて油圧を調整し、ラックシャフト152にラックシャフト152の軸方向の力をアシスト力として付与する。油圧機構140は、特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、パワーシリンダ141と、ロータリーバルブ142と、オイルポンプ143と、リザーバタンク144とを備えている。 The hydraulic mechanism 140 adjusts the hydraulic pressure according to the rotation angle of the pinion shaft 151, etc., and applies the axial force of the rack shaft 152 to the rack shaft 152 as an assist force. Although not limited to any particular type, in this embodiment, the hydraulic mechanism 140 includes a power cylinder 141, a rotary valve 142, an oil pump 143, and a reservoir tank 144.
パワーシリンダ141は、ピストン145によって二つの空間に隔てられたシリンダ146を備え、二つの空間のそれぞれに充填された油の油圧が調整されることによりピストン145がラックシャフト152の軸方向に移動する。ピストン145は、ラックシャフト152に連結されており、ピストン145からラックシャフト152に移動方向の力が付与される。 The power cylinder 141 has a cylinder 146 separated into two spaces by a piston 145, and the piston 145 moves in the axial direction of the rack shaft 152 by adjusting the hydraulic pressure of the oil filled in each of the two spaces. The piston 145 is connected to the rack shaft 152, and a force in the moving direction is applied from the piston 145 to the rack shaft 152.
ロータリーバルブ142は、ピストン145によって隔てられた二つの空間にそれぞれ供給される油圧を調整する装置である。ロータリーバルブ142の構造は、特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、ピニオンシャフト151と操舵装置100との間の操舵軸体119に介在配置されるトーションバー(不図示)を備えている。ロータリーバルブ142は、トーションバーの捩れによって生じる内側バルブと外側バルブとの相対移動に応じ、オイルポンプ143から圧送される油を、ピストン145によって隔てられた二つの空間の一方に供給する量を調整すると共に、他方の空間の余剰油をリザーバタンク144に還流する量を調整することにより、ピストン145の動作を制御している。本実施の形態の場合、オイルポンプ143は、第二電動モータ147により駆動される。 The rotary valve 142 is a device that adjusts the oil pressure supplied to each of the two spaces separated by the piston 145. The structure of the rotary valve 142 is not particularly limited, but in this embodiment, it is equipped with a torsion bar (not shown) that is interposed in the steering shaft 119 between the pinion shaft 151 and the steering device 100. The rotary valve 142 adjusts the amount of oil pumped from the oil pump 143 to be supplied to one of the two spaces separated by the piston 145 in response to the relative movement between the inner valve and the outer valve caused by the twisting of the torsion bar, and adjusts the amount of excess oil in the other space that is returned to the reservoir tank 144, thereby controlling the operation of the piston 145. In this embodiment, the oil pump 143 is driven by a second electric motor 147.
図2は、制御装置130の機能構成を示すブロック図である。制御装置130は、通常時(油圧機構140に欠陥が発生していない場合)においては、目標舵角に応じた出力軸の回転角となるように駆動装置110の第一電動モータ111を制御する装置である。また、制御装置130は、油圧機構140の状態を常時監視し、異常の発生を検出する。制御装置130は、プロセッサを備え当該プロセッサにプログラムを実行させることにより実現する処理部として、回転角取得部131と、トルク取得部132と、油圧状態取得部133と、転舵不良検出部134と、判別部135と、を備えている。本実施の形態の場合、制御装置130は、駆動制御部136を備えている。 Figure 2 is a block diagram showing the functional configuration of the control device 130. The control device 130 is a device that controls the first electric motor 111 of the drive device 110 so that the rotation angle of the output shaft corresponds to the target steering angle under normal conditions (when no defect occurs in the hydraulic mechanism 140). The control device 130 also constantly monitors the state of the hydraulic mechanism 140 and detects the occurrence of an abnormality. The control device 130 is equipped with a processor and includes a rotation angle acquisition unit 131, a torque acquisition unit 132, a hydraulic state acquisition unit 133, a steering failure detection unit 134, and a discrimination unit 135 as processing units that are realized by having the processor execute a program. In the case of this embodiment, the control device 130 includes a drive control unit 136.
回転角取得部131は、操舵軸体119を回転させる入力軸体の回転角を取得する。回転角の取得先は、特に限定されるものではない。本実施の形態の場合、操作軸体212が入力軸体として機能しており、回転角取得部131は、回転角検出手段113から回転角を取得している。 The rotation angle acquisition unit 131 acquires the rotation angle of the input shaft that rotates the steering shaft 119. There are no particular limitations on where the rotation angle is acquired from. In this embodiment, the operating shaft 212 functions as the input shaft, and the rotation angle acquisition unit 131 acquires the rotation angle from the rotation angle detection means 113.
トルク取得部132は、第一トルク、第二トルクを取得する。第一トルクは、駆動装置110の第一電動モータ111が操舵軸体119に付与するトルクである。第二トルクは、操舵軸体119に入力されるトルク、本実施の形態の場合、操作入力手段210から操作軸体212を介して操舵軸体119に入力されるトルクである。トルク情報の取得先は、特に限定されるものではない。本実施の形態の場合、トルク取得部132は、操舵軸体119の操作入力手段210側に設けられるトルク検出装置214から第二トルクを取得する。また、トルク取得部132は、油圧機構140のロータリーバルブ142に取り付けられているトーションバーのねじれ量に基づきトルク情報を取得する。 The torque acquisition unit 132 acquires the first torque and the second torque. The first torque is the torque applied to the steering shaft 119 by the first electric motor 111 of the drive device 110. The second torque is the torque input to the steering shaft 119, and in this embodiment, the torque input from the operation input means 210 to the steering shaft 119 via the operation shaft 212. The source from which the torque information is acquired is not particularly limited. In this embodiment, the torque acquisition unit 132 acquires the second torque from a torque detection device 214 provided on the operation input means 210 side of the steering shaft 119. In addition, the torque acquisition unit 132 acquires the torque information based on the amount of twist of a torsion bar attached to the rotary valve 142 of the hydraulic mechanism 140.
油圧状態取得部133は、油圧機構140の状態を示す状態情報を取得する。油圧機構140の状態を示す状態情報とは、例えば、油圧機構140の油量、油圧、油温などである。本実施の形態の場合、状態情報にはオイルポンプ143を駆動する第二電動モータ147の回転数が含まれる。状態情報の取得先は、限定されるものではないが、本実施の形態の場合、リザーバタンク144に備えられたレベルゲージ161から油量を取得し、リザーバタンク144に備えられた油圧センサ162から油圧を取得し、リザーバタンク144に備えられた油温センサ163から油温を取得する。また、第二電動モータ147の回転数は、第二電動モータ147に備えられた回転センサ(不図示)、第二電動モータ147を駆動するための指示値などから取得される。 The hydraulic state acquisition unit 133 acquires state information indicating the state of the hydraulic mechanism 140. The state information indicating the state of the hydraulic mechanism 140 is, for example, the amount of oil, the oil pressure, the oil temperature, etc. of the hydraulic mechanism 140. In the present embodiment, the state information includes the rotation speed of the second electric motor 147 that drives the oil pump 143. The source from which the state information is acquired is not limited, but in the present embodiment, the oil amount is acquired from a level gauge 161 provided in the reservoir tank 144, the oil pressure is acquired from a hydraulic sensor 162 provided in the reservoir tank 144, and the oil temperature is acquired from an oil temperature sensor 163 provided in the reservoir tank 144. In addition, the rotation speed of the second electric motor 147 is acquired from a rotation sensor (not shown) provided in the second electric motor 147, an instruction value for driving the second electric motor 147, etc.
転舵不良検出部134は、トルク取得部132が取得した第一トルク、第二トルク、および回転角取得部131が取得した回転角の動的な関係に基づき転舵輪220の転舵不良を検出する。転舵不良を検出する方法は、限定されるものではない。例えば、転舵不良を検出する方法としては、外乱オブザーバを用いた検出、第一トルクと第二トルクとを合算した値と回転角の挙動との関係をマッピングしたグラフ(テーブル)を用いた検出を例示することができる。 The steering failure detection unit 134 detects steering failure of the steered wheels 220 based on the dynamic relationship between the first torque, the second torque acquired by the torque acquisition unit 132, and the rotation angle acquired by the rotation angle acquisition unit 131. The method of detecting steering failure is not limited. For example, examples of the method of detecting steering failure include detection using a disturbance observer and detection using a graph (table) that maps the relationship between the combined value of the first torque and the second torque and the behavior of the rotation angle.
外乱オブザーバを用いた転舵不良の検出方法の具体例としては、以下を例示できる。操作軸体212、トルク検出装置214に設けられるトーションバー、操舵軸体119、ロータリーバルブ142に取り付けられているトーションバー、および(地面)が直列に接続された2自由度モデルを用い、「第一トルク、第二トルク」モデルの外乱オブザーバを利用したトルクフィードバック制御は、図3に示すブロック図により例示することができる。この場合、入力軸体外乱の推定値の絶対値が大きいとき、すなわち規範モデルにより予測される入力軸体の挙動に対して実際の動きが大きくなるとき、転舵不良の状態になっていると推定できる。さらに、入力軸体外乱の推定値>閾値であり、なおかつ、入力軸体外乱の推定値の符号が入力軸体の回転を妨げる方向の場合で、なおかつ、入力軸体外乱の推定値<第一トルクと第二トルクとの合算のとき、転舵不良と推定する。 Specific examples of a method for detecting poor steering using a disturbance observer include the following. Using a two-degree-of-freedom model in which the operating shaft 212, the torsion bar provided on the torque detection device 214, the steering shaft 119, the torsion bar attached to the rotary valve 142, and (the ground) are connected in series, torque feedback control using a disturbance observer of the "first torque, second torque" model can be illustrated by the block diagram shown in Figure 3. In this case, when the absolute value of the estimated value of the input shaft disturbance is large, that is, when the actual movement of the input shaft is large compared to the behavior of the input shaft predicted by the normative model, it can be estimated that a poor steering state exists. Furthermore, when the estimated value of the input shaft disturbance > threshold, and the sign of the estimated value of the input shaft disturbance is in a direction that hinders the rotation of the input shaft, and the estimated value of the input shaft disturbance < the sum of the first torque and the second torque, it is estimated that a poor steering state exists.
転舵不良グラフの具体例としては、図4に示すように、横軸を第一トルクと第二トルクの合算とし、縦軸を回転角の2回時間微分、即ち回転角加速度としたグラフを例示できる。当該グラフにおいて、トルク取得部132が取得した第一トルク、および第二トルク、回転角取得部131が取得した回転角を2回時間微分した値がハッチングされた台形領域261に含まれている場合、転舵不良とすることができる。なお、グラフ中の斜めの線は正常状態262を示している。また、グラフ中の横軸に重なる線はブロッキング状態263を示している。なお、ブロッキング状態とは、入力軸体外乱の推定値が第一トルクと第二トルクとの合算とおよそ一致している状態を指す。 As a specific example of a steering failure graph, as shown in FIG. 4, a graph in which the horizontal axis is the sum of the first torque and the second torque, and the vertical axis is the second time differential of the rotation angle, i.e., the rotation angle acceleration, can be exemplified. In this graph, if the first torque and the second torque acquired by the torque acquisition unit 132, and the value obtained by the rotation angle acquisition unit 131, which are twice differentiated by time, are included in the hatched trapezoidal area 261, it can be determined that a steering failure has occurred. Note that the diagonal line in the graph indicates a normal state 262. Also, the line overlapping the horizontal axis in the graph indicates a blocking state 263. Note that the blocking state refers to a state in which the estimated value of the input shaft disturbance approximately matches the sum of the first torque and the second torque.
判別部135は、転舵不良検出部134が転舵不良を検出した場合、第一電動モータ111の出力を増加させることで転舵輪220の転舵が可能である救済モードか否かを油圧状態取得部133が取得した状態情報を用いて判別する。 When the steering failure detection unit 134 detects a steering failure, the discrimination unit 135 uses the state information acquired by the hydraulic state acquisition unit 133 to determine whether or not the vehicle is in a rescue mode in which the steering of the steered wheels 220 is possible by increasing the output of the first electric motor 111.
例えば判別部135は、状態情報として取得した油量、油圧、および油温の状態が正常と判断した場合、第二電動モータ147の回転数に関係無く油圧機構140の不具合に基づく転舵不良であるとして第一救済モードと判別する。第一救済モードは、例えば油圧バルブの固着であって、駆動装置110が操舵軸体119に付与する第一トルクを増加させることにより、一時的な救済として転舵機構150を動作させて転舵輪220を転舵させることができるモードである。 For example, when the discrimination unit 135 determines that the oil volume, oil pressure, and oil temperature acquired as the status information are normal, it discriminates that the first rescue mode is in effect because the steering failure is due to a malfunction of the hydraulic mechanism 140, regardless of the rotation speed of the second electric motor 147. The first rescue mode is a mode in which, for example, a hydraulic valve is stuck, and the steering mechanism 150 can be operated as a temporary rescue by increasing the first torque applied by the drive unit 110 to the steering shaft 119, thereby turning the steered wheels 220.
また、判別部135は、状態情報として取得した油量が正常未満であって所定の油量閾値以下であり、油温の状態が正常と判断した場合、油圧、および第二電動モータ147の回転数に関係無く油圧機構140の不具合に基づく転舵不良であるとして第二救済モードと判別する。第二救済モードは、例えば油圧機構140からの油漏れであって、駆動装置110が操舵軸体119に付与する第一トルクを増加させることにより、一時的な救済として転舵機構150を動作させて転舵輪220を転舵させることができるモードである。 In addition, when the discrimination unit 135 determines that the amount of oil acquired as the status information is less than normal and is equal to or less than a predetermined oil amount threshold, and that the oil temperature state is normal, it discriminates that the second rescue mode is in effect, since the steering failure is due to a malfunction of the hydraulic mechanism 140, regardless of the hydraulic pressure and the rotation speed of the second electric motor 147. The second rescue mode is a mode in which, for example, an oil leak from the hydraulic mechanism 140 occurs, and the steering mechanism 150 can be operated as a temporary rescue by increasing the first torque applied by the drive unit 110 to the steering shaft 119, thereby turning the steered wheels 220.
また、判別部135は、状態情報として取得した油圧、および第二電動モータ147の回転数が異常であり、かつ油温の状態が正常と判断した場合、油量に関係無く油圧機構140の不具合に基づく転舵不良であるとして第三救済モードと判別する。第三救済モードは、例えばオイルポンプ143の不具合であって、駆動装置110が操舵軸体119に付与する第一トルクを増加させることにより、一時的な救済として転舵機構150を動作させて転舵輪220を転舵させることができるモードである。 In addition, when the discrimination unit 135 determines that the oil pressure acquired as the status information and the rotation speed of the second electric motor 147 are abnormal and that the oil temperature state is normal, it determines that the third rescue mode is in effect, assuming that the steering failure is due to a malfunction of the hydraulic mechanism 140 regardless of the amount of oil. The third rescue mode is a mode in which, for example, a malfunction of the oil pump 143 can be detected and the steering mechanism 150 can be operated as a temporary rescue by increasing the first torque applied by the drive unit 110 to the steering shaft 119, thereby turning the steered wheels 220.
駆動制御部136は、油圧機構140が正常な状態である通常モードにおいて、取得した目標舵角に基づき実際の転舵輪220の舵角が目標舵角に一致するようにPID制御などにより駆動装置110を制御して第一トルクを操舵軸体119に付与する。判別部135が第一救済モード、第二救済モード、第三救済モードを判別した場合、通常モードよりも第一トルクが強くなるように駆動装置110を制御する。例えば、通常モードにおける油圧機構140が転舵機構150のラックシャフト152に付与するアシスト力と同等、または匹敵するほどのトルクを駆動制御部136は、駆動装置110に発生させる。これにより、油圧機構140に不具合が発生し、ラックシャフト152にアシスト力を付与できない状況においても駆動制御部136が付与する第一トルク(アシストトルク)により転舵輪220を転舵させて、一時的に車両を操向して路肩などの安全な位置に車両を移動させ、またカーブ走行を維持しながら車両を安全に停止させることができる。 In the normal mode in which the hydraulic mechanism 140 is in a normal state, the drive control unit 136 controls the drive unit 110 by PID control or the like so that the steering angle of the actual steered wheels 220 coincides with the target steering angle based on the acquired target steering angle, and applies a first torque to the steering shaft 119. When the discrimination unit 135 discriminates the first rescue mode, the second rescue mode, or the third rescue mode, the drive control unit 136 controls the drive unit 110 so that the first torque is stronger than in the normal mode. For example, the drive control unit 136 generates in the drive unit 110 a torque equal to or comparable to the assist force applied by the hydraulic mechanism 140 to the rack shaft 152 of the steering mechanism 150 in the normal mode. As a result, even in a situation in which a malfunction occurs in the hydraulic mechanism 140 and an assist force cannot be applied to the rack shaft 152, the steered wheels 220 can be turned by the first torque (assist torque) applied by the drive control unit 136, and the vehicle can be temporarily steered to a safe position such as the shoulder of the road, and the vehicle can be safely stopped while maintaining curved driving.
具体的な駆動装置110の制御としては、例えばマニュアル運転の場合、第二トルクと第一トルクとの関係を示すアシストマップに対して第二トルクに対する補償量を増加させる制御を例示することができる。このような補償量の増加は、車両の速度に応じて変えてもかまわない。 As a specific example of control of the drive device 110, for example, in the case of manual driving, a control that increases the compensation amount for the second torque with respect to an assist map that shows the relationship between the second torque and the first torque can be exemplified. Such an increase in the compensation amount may be changed according to the vehicle speed.
また、例えば自動操舵の場合であって、PIDを利用した角度サーボコントローラを用いて第一電動モータ111を制御する場合、自動操舵のための指示舵角と実舵角の偏差(舵角偏差)に対するPIDゲインを上げることで、救済モード時に目標操舵角に対し追従するよう補償することができる。 In addition, for example, in the case of automatic steering, when the first electric motor 111 is controlled using an angle servo controller that uses PID, the PID gain for the deviation (steering angle deviation) between the command steering angle for automatic steering and the actual steering angle can be increased to compensate for tracking of the target steering angle in rescue mode.
また、例えば自動操舵の場合であって、図5に示すような規範モデルを有する外乱オブザーバを利用した角度サーボコントローラを用いて第一電動モータ111を制御する場合、舵角偏差に対して目標トルクを出力するコントローラのPIDゲインを上げ、外乱オブザーバの規範モデルがパラメータとして持つ慣性を、救済モードの慣性に置き換えることで、救済モード時に目標操舵角に対し追従するよう補償することができる。なお、救済モードの慣性は、実験などにより予め同定した値、設計値などを用いることができる。 For example, in the case of automatic steering, when the first electric motor 111 is controlled using an angle servo controller that uses a disturbance observer having a reference model as shown in FIG. 5, the PID gain of the controller that outputs a target torque for the steering angle deviation can be increased, and the inertia that the disturbance observer's reference model has as a parameter can be replaced with the inertia of the rescue mode, thereby compensating for tracking the target steering angle in the rescue mode. Note that the inertia of the rescue mode can be a value identified in advance by experiments, a design value, etc.
実施の形態に係る操舵装置100は、操舵軸体119を回転させて転舵輪220を転舵する転舵機構150と、転舵機構150に補助駆動力を付与する油圧機構140と、操舵軸体119に第一トルクを付与する第一電動モータ111と、第一電動モータ111を制御する制御装置130と、を備え、制御装置130は、操舵軸体119を回転させる入力軸体の回転角を取得する回転角取得部131と、操舵軸体119に入力される第二トルクを取得するトルク取得部132と、油圧機構140の状態を示す状態情報を取得する油圧状態取得部133と、第一トルク、第二トルク、および回転角に基づき転舵輪220の転舵不良を検出する転舵不良検出部134と、転舵不良が検出された場合、第一電動モータ111の出力を増加させることで転舵輪220の転舵が可能である救済モードか否かを、状態情報を用いて判別する判別部135と、を備える。 The steering device 100 according to the embodiment includes a steering mechanism 150 that rotates the steering shaft 119 to steer the steered wheels 220, a hydraulic mechanism 140 that applies an auxiliary driving force to the steering mechanism 150, a first electric motor 111 that applies a first torque to the steering shaft 119, and a control device 130 that controls the first electric motor 111. The control device 130 includes a rotation angle acquisition unit 131 that acquires the rotation angle of the input shaft that rotates the steering shaft 119, a torque acquisition unit 132 that acquires the second torque input to the steering shaft 119, a hydraulic state acquisition unit 133 that acquires state information indicating the state of the hydraulic mechanism 140, a steering failure detection unit 134 that detects steering failure of the steered wheels 220 based on the first torque, the second torque, and the rotation angle, and a discrimination unit 135 that uses the state information to determine whether or not a rescue mode is in which the steered wheels 220 can be steered by increasing the output of the first electric motor 111 when a steering failure is detected.
このような操舵装置100によれば、操舵軸体119に第二トルクが入力されているにもかかわらず転舵輪220が不本意に転舵される転舵不良の場合、油圧機構140の失陥から、第一電動モータ111の出力を増加させることで一時的に操舵可能な救済モードを切り分けることで、車両を安全な位置に停止させることができる。 With this steering device 100, in the event of a steering failure in which the steered wheels 220 are unintentionally steered despite the second torque being input to the steering shaft 119, the vehicle can be stopped in a safe position by switching to a rescue mode in which steering is temporarily possible by increasing the output of the first electric motor 111 due to a failure of the hydraulic mechanism 140.
また、油圧機構140は、オイルポンプ143と、オイルポンプ143を駆動させる第二電動モータ147と、を備え、油圧状態取得部133は、第二電動モータ147の回転数を状態情報の一つとして取得し、判別部135は、状態情報に含まれる回転数を用いて、救済モードか否か判別してもよい。 The hydraulic mechanism 140 also includes an oil pump 143 and a second electric motor 147 that drives the oil pump 143, and the hydraulic state acquisition unit 133 acquires the rotation speed of the second electric motor 147 as one piece of state information, and the discrimination unit 135 may use the rotation speed included in the state information to determine whether or not the rescue mode is in effect.
このような操舵装置100よれば、転舵不良においてさらに救済モードと判別される油圧機構140の状態を増加させることができる。 With this type of steering device 100, it is possible to further increase the number of states of the hydraulic mechanism 140 that are determined to be in the rescue mode when steering is poor.
また、油圧状態取得部133は、油圧機構140の油量、油圧、および油温を状態情報として取得し、判別部135は、油量、油圧、および油温の状態が正常と判断した場合、油圧機構140の不具合による第一救済モードと判別してもよい。 The hydraulic state acquisition unit 133 may acquire the oil volume, oil pressure, and oil temperature of the hydraulic mechanism 140 as state information, and if the determination unit 135 determines that the oil volume, oil pressure, and oil temperature are normal, it may determine that the first rescue mode is due to a malfunction of the hydraulic mechanism 140.
また、油圧状態取得部133は、油圧機構140の油量、および油温を状態情報として取得し、判別部135は、油量が正常より低下したと判断し、かつ油温の状態が正常と判断した場合、油圧機構140の油異常による第二救済モードと判別してもよい。 The hydraulic state acquisition unit 133 may acquire the oil amount and oil temperature of the hydraulic mechanism 140 as state information, and when the determination unit 135 determines that the oil amount has decreased below normal and that the oil temperature state is normal, it may determine that the second rescue mode is due to an oil abnormality in the hydraulic mechanism 140.
また、油圧状態取得部133は、油圧機構140の油圧、および油温を状態情報として取得し、判別部135は、油圧、および回転数の状態が異常と判断し、かつ油温の状態が正常と判断した場合、第二電動モータ147の異常による第三救済モードと判別してもよい。 The hydraulic state acquisition unit 133 may acquire the hydraulic pressure and oil temperature of the hydraulic mechanism 140 as state information, and when the discrimination unit 135 determines that the hydraulic pressure and rotation speed states are abnormal and that the oil temperature state is normal, it may discriminate that the third rescue mode is due to an abnormality in the second electric motor 147.
これらのように救済モードをさらに分類することで、第一電動モータ111が発生させるトルクを増加させる制御を適切に変更することが可能となる。 By further classifying the rescue modes in this way, it becomes possible to appropriately change the control that increases the torque generated by the first electric motor 111.
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the components described in this specification may be combined in any way, or some of the components may be removed to create another embodiment of the present invention. The present invention also includes modifications that are made to the above-described embodiment by those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention, i.e., the meaning of the words in the claims.
例えば、ステアリングシステム200は、図6に示すように、操作軸体212と転舵機構150とは機械的に連結されていない、いわゆるステア・バイ・ワイヤシステムでもかまわない。この場合、第一トルク、および第二トルクの少なくとも一方は、第一電動モータ111の制御情報から推定してもかまわない。 For example, as shown in FIG. 6, the steering system 200 may be a so-called steer-by-wire system in which the operating shaft 212 and the steering mechanism 150 are not mechanically connected. In this case, at least one of the first torque and the second torque may be estimated from the control information of the first electric motor 111.
本発明は、車両、特に、転舵輪220の転舵に大きな力が必要な、大型車両、農業用車両、建設用車両などに利用可能である。 The present invention can be used in vehicles, particularly large vehicles, agricultural vehicles, construction vehicles, and the like, which require a large force to steer the steered wheels 220.
100…操舵装置、110…駆動装置、111…第一電動モータ、112…減速機、113…回転角検出手段、119…操舵軸体、130…制御装置、131…回転角取得部、132…トルク取得部、133…油圧状態取得部、134…転舵不良検出部、135…判別部、136…駆動制御部、140…油圧機構、141…パワーシリンダ、142…ロータリーバルブ、143…オイルポンプ、144…リザーバタンク、145…ピストン、146…シリンダ、147…第二電動モータ、150…転舵機構、151…ピニオンシャフト、152…ラックシャフト、153…タイロッド、161…レベルゲージ、162…油圧センサ、163…油温センサ、200…ステアリングシステム、210…操作入力手段、211…操作部材、212…操作軸体、213…目標舵角検出手段、214…トルク検出装置、220…転舵輪、250…自動制御装置、251…カメラ、252…レーザーライダー、261…台形領域、262…正常状態、263…ブロッキング状態 100... steering device, 110... drive device, 111... first electric motor, 112... reducer, 113... rotation angle detection means, 119... steering shaft body, 130... control device, 131... rotation angle acquisition unit, 132... torque acquisition unit, 133... hydraulic state acquisition unit, 134... steering failure detection unit, 135... discrimination unit, 136... drive control unit, 140... hydraulic mechanism, 141... power cylinder, 142... rotary valve, 143... oil pump, 144... reservoir tank, 145... piston, 146... cylinder, 147... second electric motor 150...Steering mechanism, 151...Pinion shaft, 152...Rack shaft, 153...Tie rod, 161...Level gauge, 162...Oil pressure sensor, 163...Oil temperature sensor, 200...Steering system, 210...Operation input means, 211...Operation member, 212...Operation shaft body, 213...Target steering angle detection means, 214...Torque detection device, 220...Steering wheel, 250...Automatic control device, 251...Camera, 252...Laser lidar, 261...Trapezoidal area, 262...Normal state, 263...Blocking state
Claims (5)
前記転舵機構に補助駆動力を付与する油圧機構と、
前記操舵軸体に第一トルクを付与する第一電動モータと、
前記第一電動モータを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記操舵軸体を回転させる回転角を取得する回転角取得部と、
前記操舵軸体に入力される第二トルクを取得するトルク取得部と、
前記油圧機構の状態を示す状態情報を取得する油圧状態取得部と、
前記第一トルク、前記第二トルク、および前記回転角に基づき前記転舵輪の転舵不良を検出する転舵不良検出部と、
前記転舵不良が検出された場合、前記第一電動モータの出力を増加させることで前記転舵輪の転舵が可能である救済モードか否かを、前記状態情報を用いて判別する判別部と、を備える
操舵装置。 A steering mechanism that rotates a steering shaft to steer the steered wheels;
a hydraulic mechanism that applies an auxiliary driving force to the steering mechanism;
A first electric motor that applies a first torque to the steering shaft;
a control device for controlling the first electric motor,
The control device includes:
a rotation angle acquisition unit that acquires a rotation angle at which the steering shaft is rotated;
A torque acquisition unit that acquires a second torque input to the steering shaft;
a hydraulic state acquisition unit that acquires state information indicating a state of the hydraulic mechanism;
a turning failure detection unit that detects a turning failure of the steered wheels based on the first torque, the second torque, and the rotation angle;
a discrimination unit that, when the steering failure is detected, determines whether or not the steering is in a rescue mode in which the steered wheels can be steered by increasing the output of the first electric motor, using the status information.
オイルポンプと、
前記オイルポンプを駆動させる第二電動モータと、を備え、
前記油圧状態取得部は、
前記第二電動モータの回転数を状態情報として取得し、
前記判別部は、
前記回転数を含む前記状態情報に基づき救済モードか否か判別する
請求項1に記載の操舵装置。 The hydraulic mechanism includes:
An oil pump,
a second electric motor that drives the oil pump,
The hydraulic state acquisition unit is
The rotation speed of the second electric motor is acquired as state information;
The discrimination unit is
The steering apparatus according to claim 1 , wherein it is determined whether or not the rescue mode is in effect based on the state information including the number of revolutions.
前記油圧機構の油量、油圧、および油温を状態情報として取得し、
前記判別部は、前記油量、前記油圧、および前記油温の状態が正常と判断した場合、前記油圧機構の不具合による第一救済モードと判別する
請求項1または2に記載の操舵装置。 The hydraulic state acquisition unit is
Acquiring the amount of oil, the oil pressure, and the oil temperature of the hydraulic mechanism as status information;
3. The steering device according to claim 1, wherein the determination unit determines that the first rescue mode is due to a malfunction of the hydraulic mechanism when the determination unit determines that the oil amount, the oil pressure, and the oil temperature are normal.
前記油圧機構の油量、および油温を状態情報として取得し、
前記判別部は、前記油量が正常より低下したと判断し、かつ前記油温の状態が正常と判断した場合、前記油圧機構の油異常による第二救済モードと判別する
請求項1または2に記載の操舵装置。 The hydraulic state acquisition unit is
Acquiring the amount of oil and the oil temperature of the hydraulic mechanism as status information;
3. The steering device according to claim 1, wherein the discrimination unit discriminates that the second rescue mode is due to an oil abnormality in the hydraulic mechanism when the discrimination unit determines that the oil amount has decreased below normal and that the oil temperature state is normal.
前記油圧機構の油圧、および油温を状態情報として取得し、
前記判別部は、前記油圧、および前記回転数の状態が異常と判断し、かつ前記油温の状態が正常と判断した場合、前記第二電動モータの異常による第三救済モードと判別する
請求項2に記載の操舵装置。 The hydraulic state acquisition unit is
Acquiring the oil pressure and the oil temperature of the hydraulic mechanism as status information;
3. The steering device according to claim 2, wherein the discrimination unit discriminates that the third rescue mode is due to an abnormality in the second electric motor when it determines that the oil pressure and the rotation speed are abnormal and that the oil temperature is normal.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20260209 |