JP5588388B2 - 操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵装置に係り、特に、ハンドルの舵角とヨー角速度との関係を実現する操舵装置に関する。

従来より、「コーナー進入時において運転者は目標とする経路上で車速に依らず約１．２秒後に到達すべき地点を注視している」という実験データに基づき、現在の車両進行方向と注視点のなす角度がハンドル角と比例するようにステアリングギヤ比を設定する技術が知られている（非特許文献１）。

清水康夫ほか、「ギヤ比が車速と操舵角の関数として変化するステアリングシステムとその効果について」、社団法人自動車技術会、学術講演会前刷集、Ｎｏ．２１−９９、１９９９年

しかしながら、上記の非特許文献１は、「比例するステアリングギヤ比」についての開示のみであり、具体的な比例ゲインなどの設定方法についての開示はなく、ギヤ比が小さすぎると操舵角に対して実舵角が大きくクイックになりすぎて、ドライバが違和感を覚えてしまう、という問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、ドライバが違和感を覚えることのない、ドライバの感覚に合った操舵を行うことができる操舵装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明に係る操舵装置は、ドライバの視点から見た、車両の走行する目標コース上の予め定められた前方注視時間後の目標到達点の方向と、ハンドルの基準位置の方向とを一致させるように予め定められ、かつ前記ハンドルの舵角とヨー角速度との関係を、前記ハンドルの舵角と車両に発生するロール角との相対角のタンジェントに比例するヨー角速度を発生させるように定めた関係を実現する操舵装置であって、車両の旋回物理量を取得する旋回物理量取得手段と、ドライバの操舵による前記ハンドルの舵角を検出する舵角検出手段と、前記舵角の変化に対する前記ハンドルの操舵トルクの変化の割合の感覚量と、前記操舵トルクの感覚量とに基づいて求められる前記ドライバの手応え量が、旋回物理量の増加に従って単調増加する、前記旋回物理量と前記手応え量との予め定められた関係に基づいて、前記検出された前記舵角及び前記取得された前記旋回物理量に対応する前記操舵トルクを目標値として設定する目標設定手段と、前記目標設定手段によって設定された前記操舵トルクの目標値が実現されるように制御する操舵トルク制御手段と、を含んで構成されている。

本発明に係る操舵装置によれば、予め定められたハンドルの舵角と車両に発生するヨー角速度との関係を実現することにより、ドライバの視点から見た、車両の走行する目標コース上の予め定められた前方注視時間後の目標到達点の方向と、ハンドルの基準位置の方向とを一致させる。

そして、旋回物理量取得手段によって、車両の旋回物理量を取得し、舵角検出手段によって、ドライバの操舵による前記ハンドルの舵角を検出する。目標設定手段によって、前記舵角の変化に対する前記ハンドルの操舵トルクの変化の割合の感覚量と、前記操舵トルクの感覚量とに基づいて求められる前記ドライバの手応え量が、旋回物理量の増加に従って単調増加する、前記旋回物理量と前記手応え量との予め定められた関係に基づいて、前記検出された前記舵角及び前記取得された前記旋回物理量に対応する前記操舵トルクを目標値として設定する。

そして、操舵トルク制御手段によって、前記目標設定手段によって設定された前記操舵トルクの目標値が実現されるように制御する。

このように、ドライバの視点から見た、車両の走行する目標コース上の予め定められた前方注視時間後の目標到達点の方向と、ハンドルの基準位置の方向とを対応させることにより、車両とドライバとの一体感を向上させることができるため、ドライバが違和感を覚えることのない、ドライバの感覚に合った操舵を行うことができる。また、旋回物理量の増加に従って手応え量を増加させるため、旋回物理量が増加しても、ドライバは安定して操舵することができる。

本発明に係る操舵装置は、車両のステアリングギヤ比によってハンドルの操舵角とヨー角速度との関係を実現するようにすることができる。

上記の前方注視時間を、２．５秒〜３．５秒とすることができる。

上記のハンドルの舵角とヨー角速度との関係を、ハンドルの舵角と車両に発生するロール角との相対角のタンジェントに比例するヨー角速度を発生させるように定めることができる。

上記の旋回物理量を、ヨー角速度または横加速度とすることができる。

本発明に係る操舵装置は、前記ハンドルのグリップ部に設けられた、前記車両の制動を操作するためのレバーを更に含むようにすることができる。これによって、ハンドル操作のみで、制動を操作することができる。

本発明に係る操舵装置は、前記車両の車速を検出する車速検出手段と、前記車速検出手段によって検出された車速、前記舵角検出手段によって検出された前記ハンドルの舵角、及び前記車速毎に予め定めた前記ハンドルの舵角と前記ヨー角速度との関係に基づいて、ヨー角速度ゲインを算出するヨー角速度ゲイン算出手段と、前記ヨー角速度ゲイン算出手段によって算出されたヨー角速度ゲインを実現するように、ステアリングギヤ比を制御するギヤ比制御手段と、を更に含むようにすることができる。

また上記のヨー角速度ゲイン算出手段は、前記車速検出手段によって検出された車速、前記舵角検出手段によって検出された前記ハンドルの舵角、及び前記車速毎に予め定めた前記ハンドルの舵角と前記ヨー角速度との関係から予め求められた前記ハンドルの舵角とヨー角速度ゲインとの関係に基づいて、ヨー角速度ゲインを算出するようにすることができる。

本発明に係る操舵装置は、前記車両の車速を検出する車速検出手段と、前記車速検出手段によって検出された車速、前記舵角検出手段によって検出された前記ハンドルの舵角、及び前記車速毎に予め定めた前記ハンドルの舵角と前記ヨー角速度との関係に基づいて、目標ヨー角速度を算出するヨー角速度算出手段と、前記ヨー角速度算出手段によって算出された目標ヨー角速度を実現するように、ステアリングギヤ比を制御するギヤ比制御手段と、を更に含むようにすることができる。

上記の目標設定手段は、前記旋回物理量と前記手応え量との関係に基づいて予め定められる、前記旋回物理量と前記舵角と前記操舵トルクとの対応関係に基づいて、前記検出された前記舵角及び前記取得された前記旋回物理量に対応する前記操舵トルクを目標値として設定するようにすることができる。

上記の操舵トルク制御手段は、前記目標設定手段によって設定された前記操舵トルクの目標値に応じたトルクアシスト量又は前記操舵トルクの目標値を発生させるように制御するようにすることができる。

以上説明したように、本発明の操舵装置によれば、ドライバの視点から見た、車両の走行する目標コース上の予め定められた前方注視時間後の目標到達点の方向と、ハンドルの基準位置の方向とを対応させることにより、車両とドライバとの一体感を向上させることができるため、ドライバが違和感を覚えることのない、ドライバの感覚に合った操舵を行うことができる、という効果が得られる。

本発明の第１の実施の形態に係る車両操舵装置の構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る車両操舵装置のコンピュータの構成を示すブロック図である。 車両の進行方向と目標到達点へ向かう方向との偏角を示すイメージ図である。 （Ａ）相対俯角を示すイメージ図、及び（Ｂ）車両前後方向と目標到達点へ向かう方向との偏角を示すイメージ図である。 （Ａ）ドライバの頭部が移動した様子を示すイメージ図、（Ｂ）ドライバの頭部とハンドル中心との距離を示すイメージ図、及び（Ｃ）ドライバの頭部が移動したときのハンドルの舵角と前方注視角と相対俯角との関係を示すイメージ図である。 ハンドルの舵角とロール角の相対角と、ヨー角速度との関係を示すグラフである。 ハンドルの舵角とヨー角速度ゲインとの関係を示すグラフである。 操舵トルクの物理量と感覚量との対応を示すグラフである。 （Ａ）剛性の基準量と閾値との関係を示すグラフ、及び（Ｂ）剛性の物理量と感覚量との関係を示すグラフである。 手応え量が一定となるときの操舵トルクの感覚量と剛性の感覚量との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係る車両操舵装置における特性算出処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。 手応え量が一定となるときの操舵トルクの感覚量と剛性の感覚量との関係を表わす等高線を示すマップである。 本発明の第１の実施の形態に係る車両操舵装置のギヤ比制御処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係る車両操舵装置におけるトルク制御処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る車両操舵装置のコンピュータの構成を示すブロック図である。 ハンドルの舵角とヨー角速度との関係を示すグラフである。 （Ａ）本発明の第３の実施の形態に係る車両操舵装置のステアリングホイールの構成を示す正面図、及び（Ｂ）ステアリングホイールの構成を示す側面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る車両操舵装置の一部の構成を示す概略図である。 本発明の第４の実施の形態に係る車両操舵装置の構成を示す概略図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態では、車両に搭載され、かつ、車両のステアリングギヤ比を制御する車両操舵装置に本発明を適用した場合を例に説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係る車両操舵装置１０は、ステアリングホイール１２に連動する回動軸１４に、ステアリングギヤ比可変機構１６が接続されている。このステアリングギヤ比可変機構１６からは、出力軸１８が突出しており、この出力軸１８に連結されたピニオン２０が、図示を省略した操舵輪に連結されたラック軸２２に噛合している。

従って、ステアリングホイール１２の回転が、ステアリングギヤ比可変機構１６を介して、ピニオン２０に伝わり、ラック軸２２がその軸方向（図１の矢印Ｗ方向）へ移動することによって、操舵輪が転舵するようになっている。

ステアリングギヤ比可変機構１６は、コンピュータ２４に連結されている。ステアリングギヤ比可変機構１６は、従来からある周知の構造とされており、コンピュータ２４から出力されるギヤ比指令信号に基づいてステアリングギヤ比可変機構１６のステアリングギヤ比を変更するようになっている。

また、車両操舵装置１０は、操舵輪の切り角を変更するための操舵アシストトルクを、減速機２６を介して回動軸１４へ伝達して操舵輪へ出力する電動パワーステアリング装置用モータ（操舵アクチュエータ）２８を更に備えている。電動パワーステアリング装置用モータ２８は、コンピュータ２４に連結されている。

図２に示すように、コンピュータ２４は、自車両の車速を検出する車速センサ３０と、ステアリングホイール１２の舵角（ハンドルの舵角）を検出する操舵角センサ３２と、ステアリングホイール１２のトルク（操舵トルク）を検出する操舵トルクセンサ３４と、に接続されている。

コンピュータ２４は、ＣＰＵと、ＲＡＭと、後述する特性算出処理ルーチン、トルク制御処理ルーチン、及びギヤ比制御処理ルーチンを実行するためのプログラムを記憶したＲＯＭとを備え、機能的には次に示すように構成されている。コンピュータ２４は、ステアリングホイール１２の舵角、車速、及びヨー角速度ゲインの関係を示す第１マップを予め記憶した第１マップ記憶部４０と、車速センサ３０からの車速及び操舵角センサ３２からの舵角に基づいて、第１マップ記憶部４０に記憶された第１マップに従って、ヨー角速度ゲインの目標値を算出するヨーゲイン算出部４２と、算出されたヨー角速度ゲインの目標値を実現するステアリングギヤ比を算出するギヤ比算出部４４と、算出されたステアリングギヤ比に変更するようにギヤ比指令信号を出力するギヤ比制御部４６とを備えている。

また、コンピュータ２４は、算出されたヨー角速度ゲインに操舵角センサ３２からの舵角を乗じて、ヨー角速度を算出して取得するヨー角速度取得部４８と、ヨー角速度と操舵角と操舵トルクとの対応関係を表わす第２マップを記憶した第２マップ記憶部５０と、第２マップを用いて、操舵角センサ３２からの舵角及び取得したヨー角速度とに応じた操舵トルクの目標値を設定するトルク目標設定部５２と、設定された操舵トルクの目標値、及び検出された操舵トルクに基づいて、電動パワーステアリング装置用モータ２８の作動を制御するアシスト制御部５４とを備えている。なお、ヨー角速度取得部４８が、旋回物理量取得手段の一例であり、トルク目標設定部５２が、目標設定手段の一例であり、アシスト制御部５４が、操舵トルク制御手段の一例である。

次に、本実施の形態の原理について説明する。

まず、ドライバモデルに関して、特開２０１０−１７０１８７号公報の記載から、車両の進行方向と、前記車両の走行する目標コース上の予め定められた前方注視時間後の目標到達点の方向との偏角である前方注視角と、一定時間後のヨー角速度とが、車速に依存することなく比例関係にあることがわかっている。

すなわち、車両の進行方向（速度ベクトルの方向）と前方注視時間Ｔ後の車両の目標到達点の方向との偏角θ_ｇａｚｅ（図３（Ａ）、（Ｂ）参照）から、ドライバがハンドル操作することによって実現される車両運動予測値としてのヨー角速度の予測値ｒ_ｐｒｅが、以下の（１）式によって演算される。

ただし、ｋ_ｒは前方注視角θ_ｇａｚｅからヨー角速度ｒまでの伝達ゲインであり、τは、むだ時間である。ここで、むだ時間τとは、車両運動の変化のタイミングと走行コースの曲率の変化のタイミングとを合わせるための時間であり、予め定められた時間である。

上記（１）式は、ドライバが前方注視角に基づいてハンドルを操作していることを示す結果である。

また、理論解析の結果、前方注視時間Ｔ_ｇａｚｅと前方注視角θ_ｇａｚｅからヨー角速度ｒまでの伝達ゲインｋ_ｒの間には、以下の（２）式で表される関係が成立していることがわかっている。

本実施の形態では、前方注視時間Ｔ_ｇａｚｅを２．５秒〜３．５秒の一定時間として設定する。

また、前方注視時間Ｔ_ｇａｚｅとむだ時間τの間には、以下の（３）式で表される関係が成立していることがわかっている。

このようにドライバは前方注視角に基づいてハンドルを操作していることから、ドライバの意図であり、前方注視時間後にこの位置を通過するという意味で、車両運動の出力でもある前方注視点の方向と、ドライバの操作量であるハンドルの基準位置の方向とを、図４（Ｂ）に示すように一致させることにより、車両とドライバの一体感や操作性、アジリティなどを向上させることに、本実施の形態では着目した。

ところで、上記図３（Ａ）、（Ｂ）で定義した前方注視角は、自動車の進行方向を基準としていたが、ハンドルの舵角との関係を一致させるためには、ドライバが着席している車体前後方向を基準とする必要がある。そこで、本実施の形態では、以下の（４）式に示すように前方注視角に車体スリップ角を加えた角度（車両前後方向と、車両の走行する目標コース上の予め定められた前方注視時間後の目標到達点の方向との偏角）と、ハンドルの舵角（ハンドル中立状態での基準位置と現在のハンドルの基準位置との相対角度）を一致させることを考える。

また、図４（Ａ）に示すように、ハンドル中心と前方注視点との相対俯角をθ_ｚとすると、操舵角δ_ｓｗが注視点の方向と一致するための条件として、以下の（５）式が得られる。

なお、上記（５）式では、ロール運動のためにハンドル角が見かけ上、ロール角だけ切り戻されることを考慮している。また、Ｋ_rollは、ロール率である。

ところで、前方注視時間Ｔ_gazeと、前方注視角θ_gazeからヨー角速度ｒまでの伝達ゲインｋ_ｒとの間には、上記（２）式の関係が成立することから、前方注視角θ_gazeは、以下の（６）式で記述される。

さらに、車体スリップ角βは、車両運動の線形モデルから、以下の（７）式で記述される。

上記（６）式、（７）式により、上記（５）式は、以下の（８）式に書き直すことができる。

ただし、Ｃ_ｒは後輪コーナリングパワーであり、ｌは、ホイールベースであり、ｌ_ｒは、重心−後軸間距離である。また、ｍは車両質量であり、ｖは車速である。

ところで、上記（８）式の関係は、ドライバの視点位置は変化しないという仮定の下での関係式であるが、実車走行時には、横加速度の影響を受けて、ドライバ姿勢すなわち視点の位置が変化することを考慮する必要がある。図５（Ａ）に示すように車両の横加速度に比例してドライバの頭部が横加速度に対抗する方向にh_y移動すると、ドライバから見たハンドルの中心は、以下の（９）式で求められるθ_ｄだけ旋回外向きに移動する。

ただし、h_xはドライバ頭部とハンドル中心の距離である（図５（Ｂ）参照）。

したがって、図５（Ｃ）から、ドライバ頭部移動時の操舵角δ_swの方向（ハンドルの基準位置の方向）が、前方注視点の方向と一致するための条件は、以下の（１０）式で表される。

本実施の形態では、横加速度が９．８ [m/s²] 発生したときにh_y＝ h_ymax 移動するとして、以下の（１１）式のように、θ_ｄを定式化する。

さらに、横加速度とヨー角速度との関係（スリップ角が増加しないための条件）は、以下の（１２）式で表される。

上記（１１）式、（１２）式を考慮すると、以下の（１３）式で表される関係式が導出される。

また、相対俯角θ_zは、ドライバの視点からハンドル中心までのハンドル中心俯角θ_zswと前方注視時間T_gazeとアイポイント高h_eyeとに基づく、以下の（１４）式で表される関係が成立する。

上記（１４）式より、上記（１３）式は、以下の（１５）式で記述できる。

ここで、以下の式を仮定する。

この式により、上記（１５）式は、以下の（１６）式で記述できる。

上記（１６）式は、図６の実線が示すように、ヨー角速度ｒが、ハンドルの舵角δ_ｓｗとロール角φ（＝Ｋ_ｒｏｌｌ・ｒ・ｖ）との相対角（δ_ｓｗ−φ）のタンジェントに比例することを表している。また、上記（１６）式が、本発明における、車速毎のハンドルの舵角とヨー角速度との関係の一例を表わしている。

ヨー角速度ゲインｋは、ヨー角速度ｒを舵角δ_ｓｗで除した値であり、以下の（１７）式で示される関係が成立する。

上記（１７）式を上記（１６）式に代入することによって、舵角δ_ｓｗとヨー角速度ゲインｋの関係式が、以下の（１８）式のように導出される。

上記（１８）式には、左右両辺にヨー角速度ゲインｋが存在しており、本実施の形態では、車速ｖと舵角δ_ｓｗに応じたヨー角速度ゲインｋを数値的に解くことによって、マップを導入する。これによって、図７に示すような、各車速毎に、ヨー角速度ゲインｋとハンドルの舵角δ_ｓｗとの関係を示すマップが得られる。

以上説明した原理に基づいて、本実施の形態に係る車両操舵装置１０の第１マップ記憶部４０には、上記図７の実線に示すような、各車速毎に、ハンドルの舵角とヨー角速度ゲインとの関係を定めた第１マップが記憶されている。

ヨーゲイン算出部４２は、車速センサ３０によって検出された車速及び操舵角センサ３２によって検出されたハンドルの舵角に対応するヨー角速度ゲインの目標値を、第１マップ記憶部４０に記憶された第１マップに従って算出する。

次に、上記の第１マップに基づいて算出される目標とするヨー角速度ゲインを実現するための制御方法について説明する。

目標とするヨー角速度ゲインは、ハンドルと前輪の実舵角を転舵する機構との間に設けたステアリングギヤ比可変機構１６の特性を、車速に応じてアクティブに変更することにより実現される。前輪の実舵角δ_fとヨー角速度ｒとの間には、車両運動の動特性を無視すると、以下の（１９）式で表される関係が成立している。

ただし、Ｃ_fは、前輪コーナリングパワーである。ハンドルの舵角δ_swと前輪実舵角δ_fとの間のステアリングギヤ比をｇ_swとすると、以下の（２０）式の関係が得られる。

上記（１９）式、（２０）式により、上記図７に示す第１マップから算出されるヨー角速度ゲインｋを実現するためのステアリングギヤ比ｇ_swは、以下の（２１）式で表される。

ギヤ比算出部４４は、上記（２１）式に従って、ヨーゲイン算出部４２によって算出された目標とするヨー角速度ゲインｋと、車速センサ３０によって検出された車速ｖとに基づいて、ステアリングギヤ比を算出する。

ギヤ比制御部４６は、算出されたステアリングギヤ比に変更するようにギヤ比指令信号をステアリングギヤ比可変機構１６へ出力して、ステアリングギヤ比を制御する。

ところで、上記（１６）式に基づいて操舵系の制御を行った場合、ハンドルの舵角とロール角の相対角が９０ｄｅｇに近づくとヨー角速度は無限に大きくなり、９０ｄｅｇ以内の操舵角領域ですべての運転操作が行われることになる。このような特性では、ハンドルを持ち替える必要がない、という利点がある一方で、ハンドル操舵という操作に対する車両運動の変化を過敏に感じる場合があり操縦性を損なってしまう、という欠点も持ち合わせることになる。

車両運動の変化を過敏に感じ、操縦性を損なう特性か否かは、ハンドルの舵角に対するヨー角速度の勾配を様々に変化させた車両を用い、定常円旋回からの修正操舵などのタスクを与える官能評価実験によって調べられている。通常のパワステ特性に相当する手応えを与えた場合、ハンドルの舵角に対するヨー角速度の勾配の上限、すなわちこれ以上の勾配を設定した場合に操縦性が損なわれる、ハンドルの舵角に対するヨー角速度の勾配は、個人差があるものの０．３５〜０．３８［１／ｓ］の間にあることがわかっている。

一方、手応えを大きく設定することによって、操舵に必要なドライバの手先力も増加し、手先の等価剛性が増加する結果、ハンドル操舵の安定性を向上させることができる。本発明は、この知見を利用し、旋回物理量の増加に応じて手応え量を単調に増加させることにより、ハンドル操舵という操作に対する車両運動の変化を過敏に感じる領域でドライバの手先等価剛性を向上させ、操舵の安定性を向上させる。なお、本実施の形態では、旋回物理量として、ヨー角速度を用いている。

次に、本実施の形態における手応え量を制御する原理について説明する。

まず、手応え量について説明するために、物理量と感覚量との関係について説明する。ここでは、操舵トルクと剛性に関し、物理量と感覚量との関係を調査した。なお、調査には、操舵反力特性（操舵角ｙと操舵トルクｘとの関係）を自由に変更可能なステアリングシミュレータを用いた。

操舵トルクに関する調査には「マグニチュード推定法」を用いた。これは、操舵トルクを様々に変化させ、その時々に感じる物理量の大きさを数値で回答してもらうことで、物理量と感覚量の関係を明らかにする方法である。

結果として、図８に示すような関係を得られた。すなわち、操舵トルクの物理量に対し感覚量は単調に増加するものの、ある領域を境に、上に凸から下に凸に変化する特徴がある（操舵トルクの物理量の増加に応じた感覚量の増加量が、徐々に小さくなる傾向から徐々に大きくなる傾向に変化する特徴がある）。この変曲点となる操舵トルクは２〜３Ｎｍ程度だった。なお、被験者数は３名であり、いずれの被験者の結果も同じ傾向を示した。

また、剛性に関する調査には「極限法」を用いた。これは基準となる剛性から徐々に変化させていき、初めて変化を知覚できる変化量（閾値）を調べる方法である。結果として図９（Ａ）に示すように基準となる剛性と閾値は比例関係にあることがわかった。なお、被験者数は５名であり、いずれの被験者の結果も同じ傾向を示した。これはＷｅｂｅｒの法則としてよく知られている傾向であり、これが成り立つとき、感覚量は物理量の対数に比例することがＷｅｂｅｒ−Ｆｅｃｈｎｅｒの法則として知られている。この関係を図９（Ｂ）に示す。このように、剛性の感覚量は、剛性の物理量の対数に比例するものと定義した。

次に、操舵トルクの感覚量と剛性の感覚量の関係について説明する。

上述したステアリングシミュレータを用い、操舵トルクと剛性の様々な組合せを設定した。そして、その設定から微小に操舵した際の手応えに関し、ある基準の組合せと同じ手応えに感じる組合せを探索した。

結果として、同じ手応えに感じる操舵トルクと剛性との関係は、両者の感覚量同士で比較すると、剛性が操舵トルクに対して単調に減少する関係にあり、かつ、操舵トルクの感覚量がある一定値で飽和するように漸近することがわかった。図１０に示すように、基準となる組合せを変更しても、上記傾向は同じであり、基準となる手応え量が大きいときには、漸近線が右側にシフトすることがわかった。操舵トルクと剛性がこのような関係を有する操舵反力特性（操舵トルクと操舵角の関係）のとき、ドライバは、一定の手応え量で操舵することが可能と考えられる。

次に、本実施の形態において目標とするヨー角速度と手応え量との関係について説明する。

本実施の形態では、上述したように、旋回物理量としてのヨー角速度の増加に応じて手応え量を単調に増加させる。すなわち、操舵角変化に対する操舵トルクの変化割合（剛性）の感覚量と操舵トルクの感覚量から定義される手応え量が、ヨー角速度の増加に伴って単調に増加するように定めた、ヨー角速度と手応え量との関係を用いて、操舵反力特性を定める。

ヨー角速度の増加に伴って徐々に手応え量を増加していくことは、ヨー角速度の増加に応じて徐々に手応え等高線の高い方で登っていくことで実現可能である。

また、本実施の形態では、手応え量がヨー角速度の増加に伴って単調に増加するように定めた、ヨー角速度と手応え量との関係に基づいて決定される、ヨー角速度と操舵角と操舵トルクとの関係（操舵反力特性マップ）に基づいて、目標となる操舵トルクを実現する制御を行う。

第２マップ記憶部５０は、ヨー角速度と手応え量との関係に基づいて後述する方法により予め定められたヨー角速度と操舵トルクと操舵角との対応関係を表わす第２マップを予め記憶している。

トルク目標設定部５２は、操舵角センサ３２から入力された操舵角信号、ヨー角速度取得部４８によって取得されたヨー角速度、及び記憶された第２マップに基づいて、検出された操舵角及び取得されたヨー角速度に対応する操舵トルクを、目標値として設定する。

アシスト制御部５４は、設定された操舵トルクの目標値と、操舵トルクセンサ３４によって検出された操舵トルクとに基づいて、トルクアシスト量の指令値を演算する。また、アシスト制御部５４は、演算したトルクアシスト量の指令値に基づいて、ステアリングホイール１２に作用する操舵トルクが操舵トルクの目標値となるように、電動パワーステアリング装置用モータ２８を駆動制御する。ここでの電動パワーステアリング装置用モータ２８の駆動制御については、例えば操舵トルクの目標値と検出される操舵トルクとの偏差に基づくＰＩ（比例積分）制御を用いてもよい。

次に、本実施の形態に係る車両操舵装置１０の作用について説明する。

まず、オフラインにおいて、コンピュータ２４において、図１１に示す特性算出処理ルーチンが実行される。なお、この特性算出処理ルーチンは、外部装置で実行してもよい。

ステップ１００において、メモリ（図示省略）に記憶された、ヨー角速度と手応え量との関係を読み込み、ステップ１０２で、操舵角ｑと操舵トルクＴとを０に設定する。次に、ステップ１０４において、操舵トルクの刻み量ｄＴを所定値に設定する。

次のステップ１０６において操舵角ｑにヨー角速度ゲインｋを乗じてヨー角速度ｒを算出する。そして、ステップ１０８において、読み込んだヨー角速度と手応え量の関係に基づいて、ヨー角速度ｒに応じた手応え量の目標値E_ｒを算出する。例えば、ヨー角速度ｒが０である場合には、手応え量の目標値E₀が算出される。

そして、ステップ１１０において、操舵トルクの物理量Ｔを、操舵トルクの感覚量に変換する。次のステップ１１２において、メモリに記憶された、図１２に示すような手応え量が一定値となる操舵トルクの感覚量と剛性の感覚量の関係を示す手応え等高線マップを用いて、上記ステップ１０８で算出された手応え量の目標値Ｅ_Ｒ及び上記ステップ１１０で算出された操舵トルクの感覚量に対応する剛性の感覚量を、マップの逆引きにより算出する。

そして、ステップ１１４において、上記ステップ１１２で算出した剛性の感覚量を、剛性の物理量ｋ_Ｔに変換する。例えば、操舵トルクＴが０である場合には、剛性の物理量ｋ_０が得られる。

次のステップ１１６では、上記ステップ１１４で算出した剛性の物理量ｋ_Ｔから、以下の（２２）式に従って、操舵角ｑ_Ｔ＋ｄＴと操舵トルクＴ＋ｄＴとの組み合わせを算出して、メモリに記録する。

例えば、操舵トルクＴが０近傍である場合における剛性がｋ_０となるように、操舵トルクと操舵角との組み合わせが算出される。

そして、ステップ１１８において、操舵角及び操舵トルクが十分に大きいか否かを判定し、操舵角及び操舵トルクが十分に大きい場合には、操舵トルクと操舵角の対応関係が得られたと判断し、特性算出処理ルーチンを終了する。一方、操舵角及び操舵トルクが十分に大きくない場合には、ステップ１２０において、操舵トルクＴを、刻み量ｄＴだけ増加させると共に、操舵角ｑを上記（２２）式によって算出された操舵角ｑ_Ｔ＋ｄＴに更新して、上記ステップ１０６へ戻る。

上記のように、特性算出処理ルーチンでは、操舵トルクを刻み量ｄＴ毎に徐々に増加させていくことで、ヨー角速度と操舵トルクと操舵角との組み合わせを各々算出し、算出された全領域におけるヨー角速度と操舵トルクと操舵角の対応関係に基づいて、線形補間して、第２マップを作成する。このように生成された第２マップが、第２マップ記憶部５０に記憶され、第２マップを用いて操舵反力特性を制御することにより、所望のヨー角速度と手応えの関係を実現することができる。

また、車両操舵装置１０を搭載した車両の走行中に、コンピュータ２４において、図１３に示すギヤ比制御処理ルーチンが実行される。

まず、ステップ１４０において、車速センサ３０より検出された車速及び操舵角センサ３２より検出されたハンドルの舵角の各々を取得する。そして、ステップ１４２において、第１マップ記憶部４０に記憶された第１マップに従って、上記ステップ１４０で取得した車速及びハンドルの舵角からヨー角速度ゲインの目標値を算出する。

次のステップ１４４では、上記ステップ１４０で取得した車速と上記ステップ１４２で算出されたヨー角速度ゲインの目標値とから、上記（２１）式に従って、ヨー角速度ゲインの目標値を実現するためのステアリングギヤ比を算出する。そして、ステップ１４６において、上記ステップ１４４で算出されたステアリングギヤ比に変更するようにギヤ比指令信号をステアリングギヤ比可変機構１６へ出力して、ステアリングギヤ比を制御し、上記ステップ１４０へ戻る。

上記の処理が繰り返し実行されることにより、繰り返し算出されたヨー角速度ゲインの目標値が各々実現される。

また、車両操舵装置１０を搭載した車両の走行中に、コンピュータ２４において、図１４に示すトルク制御処理ルーチンが実行される。

まず、ステップ１５０において、操舵トルクセンサ３４により検出された操舵トルク、操舵角センサ３２により検出されたハンドルの舵角を取得する。ステップ１５２において、上記ステップ１５０で取得したハンドルの舵角にヨーゲインを乗じて、ヨー角速度を算出する。

そして、ステップ１５４において、第２マップ記憶部５０から第２マップを読み出し、上記ステップ１５０で取得したハンドルの操舵及び上記ステップ１５２で算出したヨー角速度に対応する操舵トルクを、目標値として設定する。

次のステップ１５６では、上記ステップ１５０で取得した操舵トルク、及び上記ステップ１５４で設定された操舵トルクの目標値に基づいて、トルクアシスト量の指令値を算出する。そして、ステップ１５８において、上記ステップ１５６で算出されたトルクアシスト量の指令値に基づいて、ステアリングホイール１２に作用する操舵トルクが操舵トルクの目標値となるように、電動パワーステアリング装置用モータ２８を駆動制御して、ステップ１５０へ戻る。

以上説明したように、第１の実施の形態に係る車両操舵装置によれば、ドライバの視点から見た、車両の走行する目標コース上の予め定められた前方注視時間後の目標到達点の方向と、ハンドルの基準位置の方向とを一致させるように定められたハンドルの舵角とヨー角速度ゲインとの関係を示すマップに従って、ヨー角速度ゲインの目標値を算出し、ステアリングギヤ比を制御することにより、車両とドライバとの一体感を向上させることができ、ドライバが違和感を覚えることのない、ドライバの感覚に合った操舵を行うことができる。

また、ヨー角速度の増加に応じて手応え量を単調に増加させることによって操縦性の悪化が抑制され、大舵角領域でも、ハンドルの操舵方向と注視点の方向を一致させることができる。この結果、ドライバはハンドルを持ち替える必要がなくなる。

次に、第２の実施の形態に係る車両操舵装置について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態では、ヨー角速度の目標値を算出して、ヨー角速度の目標値を実現するようにステアリングギヤ比を制御している点が、第１の実施の形態と主に異なっている。

図１５に示すように、第２の実施の形態に係る車両操舵装置のコンピュータ２２４は、ステアリングホイール１２の舵角、車速、及びヨー角速度の関係を示す第１マップを予め記憶した第１マップ記憶部２４０と、車速センサ３０からの車速及び操舵角センサ３２からの舵角に基づいて、第１マップ記憶部２４０に記憶された第１マップに従って、ヨー角速度の目標値を算出するヨー角速度算出部２４２と、算出されたヨー角速度を実現するステアリングギヤ比を算出するギヤ比算出部２４４と、ギヤ比制御部４６と、第２マップ記憶部５０と、トルク目標設定部５２と、アシスト制御部５４とを備えている。

上記第１の実施の形態で説明した上記（１６）式に対して、数値演算を行って解いた結果、図１６の実線が示すような、ハンドルの舵角とヨー角速度との関係が、各車速毎に得られる。

本実施の形態に係る車両操舵装置の第１マップ記憶部２４０には、各車速毎に、上記図１６の実線に示すようなハンドルの舵角とヨー角速度との関係を定めた第１マップが記憶されている。

ヨー角速度算出部２４２は、車速センサ３０によって検出された車速及び操舵角センサ３２によって検出されたハンドルの舵角に対応するヨー角速度を、第１マップ記憶部２４０に記憶された第１マップに従って算出する。

ギヤ比算出部２４４は、ヨー角速度算出部２４２によって算出された目標とするヨー角速度ｒと、車速センサ３０によって検出された車速ｖとに基づいて、上記（１９）式に従って、目標とするヨー角速度ｒを実現する前輪実舵角δ_fを算出し、算出された前輪実舵角δ_fと、操舵角センサ３２によって検出されたハンドルの舵角δ_ｓｗとに基づいて、上記（２０）式に従って、ステアリングギヤ比を算出する。

次に、第２の実施の形態に係るギヤ比制御処理ルーチンについて説明する。

まず、車速センサ３０より検出された車速及び操舵角センサ３２より検出されたハンドルの舵角の各々を取得する。そして、第１マップ記憶部２４０に記憶された第１マップに従って、上記で取得した車速及びハンドルの舵角からヨー角速度の目標値を算出する。

次に、上記で取得した車速と上記で算出されたヨー角速度の目標値とから、上記（１９）式、（２０）式に従って、ヨー角速度の目標値を実現するためのステアリングギヤ比を算出する。そして、上記で算出されたステアリングギヤ比に変更するようにギヤ比指令信号をステアリングギヤ比可変機構１６へ出力して、ステアリングギヤ比を制御し、最初の処理へ戻る。

上記の処理が繰り返し実行されることにより、繰り返し算出されたヨー角速度の目標値が各々実現される。

なお、第２の実施の形態に係る車両操舵装置の他の構成及び作用は、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

以上説明したように、第２の実施の形態に係る車両操舵装置によれば、ドライバの視点から見た、車両の走行する目標コース上の予め定められた前方注視時間後の目標到達点の方向と、ハンドルの基準位置の方向とを一致させるように定められたハンドルの舵角とヨー角速度との関係を示すマップに従って、ヨー角速度の目標値を算出し、ステアリングギヤ比を制御することにより、車両とドライバとの一体感を向上させることができ、ドライバが違和感を覚えることのない、ドライバの感覚に合った操舵を行うことができる。

次に、第３の実施の形態に係る車両操舵装置について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第３の実施の形態では、ステアリングのグリップ部に、ブレーキ操作のためのレバーが設けられている点が、第１の実施の形態と主に異なっている。

図１７（Ａ）に示すように、第３の実施の形態に係る車両操舵装置では、ステアリングホイール１２のグリップ部に、ブレーキ操作のためのブレーキレバー３１２が設けられている。図１７（Ｂ）に示すように、ブレーキレバー３１２は、ドライバがグリップを握る握力に応じてストロークする構造になっている。ブレーキレバー３１２は、左右のグリップ部に設けられている。

また、図１８に示すように、第３の実施の形態に係る車両操舵装置は、更に、ブレーキレバー３１２のストローク量を検出するレバー操作量検出部３２０と、検出されたストローク量に応じて、制動力の指令値を算出する指令値算出部３２２と、制動力の指令値に基づいて、各輪のブレーキ油圧指令値を演算して、各輪のブレーキ油圧を制御するブレーキ油圧制御部３２４とを備えている。

指令値算出部３２２は、左右のブレーキレバー３１２のそれぞれについて、ストローク量に応じた制動力の指令値を算出する。ブレーキ油圧制御部３２４は、左右の指令値の大きい方の値に基づいて、各輪のブレーキ油圧指令値をする。

また、ドライバの握力とレバーのストロークの間には、ヒステリシス特性を設けても良い。このヒステリシス特性を適切に設定することで、人間の力覚特性に即した操作しやすいブレーキが実現される。

なお、第３の実施の形態に係る車両操舵装置の他の構成及び作用は、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

このように、ステアリングホイールのグリップ部にブレーキ操作のためのレバーを追加搭載することで、手元で制動操作を実現することが可能となる。ブレーキは、アクセルペダルからブレーキペダルへの踏み替えも含めると、操作に０．６ｓ程度必要となることが知られている。一方、実験により、手元での操作の場合、操作時間は０．２ｓ程度まで短縮することが確認された。６０ｋｍ／ｈで走行している状況を想定すると、空走時間が０．４ｓ短縮されることは、制動距離が６．７ｍ短縮されることに相当する。さらに、乾燥路面を走行していると想定し、制動時の減速度を９．８ｍ／ｓ^２とすると、衝突速度が１４ｋｍ／ｈ減少することになる。これは、例えば５０ｋｍ／ｈでの衝突を３６ｋｍ／ｈに低減し、衝突エネルギーを半減できることを意味している。このように、本実施の形態に係る車両操舵装置によれば、人間の身体機能に着目して、安全性を向上させる、という優れた効果を得ることができる。

次に、第４の実施の形態について説明する。ステアバイワイヤシステムの車両操舵装置に、本発明を適用した場合を例に説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

図１９に示すように、第４の実施の形態に係る車両操舵装置４１０は、ステアリングホイール１２と、回動軸１４と、ステアリングギヤ比可変機構１６と、出力軸１８と、ピニオン２０と、ラック軸２２と、コンピュータ４２４と、減速機２６とを備え、さらに、ドライバによるステアリングホイール１２の操作に応じてステアリングホイール１２にトルクを作用させることで操舵トルクを模擬する反力モータ４３０と、ステアリングホイール１２の操舵角に応じて操舵輪の切り角を変更するための出力トルクを、減速機２６を介してピニオン２０に伝達して操舵輪へ出力する転舵モータ４３２と、を備える。

コンピュータ４２４は、上記第１の実施の形態と同様に、第２マップに基づいて設定された操舵トルクの目標値を実現するように、反力モータ４３０の駆動制御を行う。また、コンピュータ４２４は、操舵角センサ３２によって検出されたステアリングホイール１２の舵角に応じて、操舵輪の切り角を変更するように転舵モータ４３２の駆動制御を行う。

なお、第４の実施の形態に係る車両操舵装置の他の構成及び作用は、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

なお、上記の第１の実施の形態〜第４の実施の形態では、旋回物理量として、ヨー角速度を用いた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、旋回物理量として、横加速度を用い、横加速度の増加に応じて手応え量を単調増加させるようにしてもよい。

また、車速センサおよび操舵角センサからのセンサ出力に基づいて、ヨー角速度を算出する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、ヨー角速度センサを用いて、ヨー角速度を検出するようにしてもよい。

また、電動パワーステアリング装置用モータや反力モータのトルクにより、ステアリングにトルクを作用させるものとしたが、電動パワーステアリング装置用モータや反力モータ以外にも、例えば可変操舵ギア比システム用アクチュエータ等、他のアクチュエータを用いて、ステアリングにトルクを作用させるようにしてもよい。

また、剛性の感覚量が、剛性の物理量の対数に比例するものであると定義した場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、剛性の感覚量を、剛性の物理量の対数にほぼ比例するものとして定義してもよい。

また、ステアリングホイールの舵角、車速、及びヨー角速度ゲインの関係を示す第１マップを用いて、検出された舵角および車速に対応するヨー角速度ゲインを求める場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、舵角、車速、及びヨー角速度ゲインの対応関係を表わす式に従って、検出された舵角及び車速からヨー角速度ゲインの目標値を算出するようにしてもよい。また、舵角、車速、及びヨー角速度の対応関係を表わす式に従って、検出された舵角及び車速からヨー角速度の目標値を算出するようにしてもよい。

また、ヨー角速度と操舵トルクとの対応関係を表わす第２マップを用いて、取得されたヨー角速度に対応する操舵トルクを求める場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、ヨー角速度と操舵トルクとの対応関係を表わす式に従って、取得されたヨー角速度から操舵トルクの目標値を算出するようにしてもよい。

また、前輪の操舵を制御する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、後輪の操舵を制御するようにしてもよい。この場合には、後輪の実舵角とヨー角速度との間の関係を用いて導出される式に基づいて、ヨー角速度ゲインの目標値又はヨー角速度の目標値を実現する後輪のステアリングギヤ比を算出すればよい。また、前輪及び後輪の双方の操舵を制御するようにしてもよい。この場合には、前輪の実舵角と後輪の実舵角とヨー角速度との間の関係を用いて導出される式に基づいて、ヨー角速度ゲインの目標値又はヨー角速度の目標値を実現する前後輪のステアリングギヤ比を算出すればよい。

１０、４１０ 車両操舵装置
１２ ステアリングホイール
１４ 回動軸
１６ ステアリングギヤ比可変機構
２０ ピニオン
２２ ラック軸
２４、２２４、４２４ コンピュータ
２８ 電動パワーステアリング装置用モータ
３０ 車速センサ
３２ 操舵角センサ
３４ 操舵トルクセンサ
４０、２４０ 第１マップ記憶部
４２ ヨーゲイン算出部
４４、２４４ ギヤ比算出部
４６ ギヤ比制御部
４８ ヨー角速度取得部
５０ 第２マップ記憶部
５２ トルク目標設定部
５４ アシスト制御部
２４２ ヨー角速度算出部
３１２ ブレーキレバー

Claims (10)

1. ドライバの視点から見た、車両の走行する目標コース上の予め定められた前方注視時間後の目標到達点の方向と、ハンドルの基準位置の方向とを一致させるように予め定められ、かつ前記ハンドルの舵角とヨー角速度との関係を、前記ハンドルの舵角と車両に発生するロール角との相対角のタンジェントに比例するヨー角速度を発生させるように定めた関係を実現する操舵装置であって、
   車両の旋回物理量を取得する旋回物理量取得手段と、
   ドライバの操舵による前記ハンドルの舵角を検出する舵角検出手段と、
   前記舵角の変化に対する前記ハンドルの操舵トルクの変化の割合の感覚量と、前記操舵トルクの感覚量とに基づいて求められる前記ドライバの手応え量が、旋回物理量の増加に従って単調増加する、前記旋回物理量と前記手応え量との予め定められた関係に基づいて、前記検出された前記舵角及び前記取得された前記旋回物理量に対応する前記操舵トルクを目標値として設定する目標設定手段と、
   前記目標設定手段によって設定された前記操舵トルクの目標値が実現されるように制御する操舵トルク制御手段と、
   を含む操舵装置。
2. 車両のステアリングギヤ比によって前記ハンドルの舵角とヨー角速度との関係を実現する請求項１記載の操舵装置。
3. 前記前方注視時間を、２．５秒〜３．５秒とした請求項１又は２記載の操舵装置。
4. 前記旋回物理量を、ヨー角速度または横加速度とした請求項１〜請求項３の何れか１項記載の操舵装置。
5. 前記ハンドルのグリップ部に設けられた、前記車両の制動を操作するためのレバーを更に含む請求項１〜請求項４の何れか１項記載の操舵装置。
6. 前記車両の車速を検出する車速検出手段と、
   前記車速検出手段によって検出された車速、前記舵角検出手段によって検出された前記ハンドルの舵角、及び前記車速毎に予め定めた前記ハンドルの舵角と前記ヨー角速度との関係に基づいて、ヨー角速度ゲインを算出するヨー角速度ゲイン算出手段と、
   前記ヨー角速度ゲイン算出手段によって算出されたヨー角速度ゲインを実現するように、ステアリングギヤ比を制御するギヤ比制御手段と、
   を更に含む請求項１〜請求項５の何れか１項記載の操舵装置。
7. 前記ヨー角速度ゲイン算出手段は、前記車速検出手段によって検出された車速、前記舵角検出手段によって検出された前記ハンドルの舵角、及び前記車速毎に予め定めた前記ハンドルの舵角と前記ヨー角速度との関係から予め求められた前記ハンドルの舵角とヨー角速度ゲインとの関係に基づいて、ヨー角速度ゲインを算出する請求項６記載の操舵装置。
8. 前記車両の車速を検出する車速検出手段と、
   前記車速検出手段によって検出された車速、前記舵角検出手段によって検出された前記ハンドルの舵角、及び前記車速毎に予め定めた前記ハンドルの舵角と前記ヨー角速度との関係に基づいて、目標ヨー角速度を算出するヨー角速度算出手段と、
   前記ヨー角速度算出手段によって算出された目標ヨー角速度を実現するように、ステアリングギヤ比を制御するギヤ比制御手段と、
   を更に含む請求項１〜請求項５の何れか１項記載の操舵装置。
9. 前記目標設定手段は、前記旋回物理量と前記手応え量との関係に基づいて予め定められる、前記旋回物理量と前記舵角と前記操舵トルクとの対応関係に基づいて、前記検出された前記舵角及び前記取得された前記旋回物理量に対応する前記操舵トルクを目標値として設定する請求項１〜請求項８の何れか１項記載の操舵装置。
10. 前記操舵トルク制御手段は、前記目標設定手段によって設定された前記操舵トルクの目標値に応じたトルクアシスト量又は前記操舵トルクの目標値を発生させるように制御する請求項１〜請求項９の何れか１項記載の操舵装置。

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