JP5261962B2 - 旋回挙動制御装置、自動車、及び旋回挙動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、旋回挙動制御装置、これを備えた自動車、及び旋回挙動制御方法に関するものである。

４輪操舵において、旋回時の車体の向き（回頭方向）を調整するために、幾何学的な目標旋回中心位置を設定し、これに基づいて後輪舵角を制御するものがあった（特許文献１参照）。
特開２００６−１２３５９７号公報

しかしながら、車体の向きを変化させるために重心点周りに自転させるには、低速であるほど転舵角を急変させなければならないので、挙動が乱れる可能性や、アクチュエータに過度な負担を強いる可能性があった。
本発明の課題は、４輪操舵によって車体の向きを変化させるときに、車両の安定性を向上させ、且つ駆動機構の負担を軽減することである。

上記の課題を解決するために、本発明に係る旋回挙動制御装置は、前後輪の夫々を転舵可能な転舵機構を備え、車両の目標旋回半径と目標回頭方向と目標自転中心とを設定し、設定した目標旋回半径と目標回頭方向と目標自転中心とに応じて車両の目標旋回挙動を設定し、設定した目標旋回挙動に応じて前後輪の目標転舵角を算出し、算出した目標転舵角に応じて転舵機構を駆動制御することを特徴とする。
自転中心とは、車両を平面上で回転させる鉛直方向の中心軸である。
また、車体を旋回内向きに回頭させるときには、車両基準点よりも前方に目標自転中心を設定し、車体を旋回外向きに回頭させるときには、車両基準点よりも後方に目標自転中心を設定する。

本発明に係る旋回挙動制御装置によれば、特に目標自転中心を任意に設定することができるので、車両の動特性を考慮し、目標自転中心を車両基準点から車両のヨーモーメントが抑制される方向にずらすときに、前後輪で転舵角の急変を抑制することができる。したがって、挙動の乱れや、アクチュエータに過度な負担を強いることを防げる。
また、車体を旋回内向きに回頭させるときには、車両基準点よりも前方に目標自転中心を設定し、車体を旋回外向きに回頭させるときには、車両基準点よりも後方に目標自転中心を設定することで、確実に目標自転中心を基準点から車両のヨーモーメントが抑制される方向にずらすことができ、前後輪で転舵角の急変を抑制することができる。したがって、挙動の乱れやアクチュエータに過度な負担を強いることを確実に防げる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《一実施形態》
《構成》
図１は、本発明の概略構成である。自動車１には、各車輪２ｉ（ｉ＝ＦＬ、ＦＲ、ＲＬ、ＲＲ）を個別に転舵可能な転舵機構３ｉが搭載され、夫々をコントローラ４によって駆動制御し、運転者のステアリング操作に応じたステアリング・バイワイヤを行う。
転舵機構３ｉは、電動モータの回転を、非可逆特性を有するハイポイドギアを介してラック＆ピニオンに伝達することで、車輪を転舵するように構成されている。

コントローラ４は、操舵角センサ５で検出するステアリングホイール６の操舵角と、車輪速センサ７で検出する各車輪速と、転舵角センサ８で検出する各転舵角とを入力し、後述する図２の駆動制御処理を実行する。
なお、コントローラ４は、ステアリング・バイワイヤを行う際、運転者のステアリング操作に対して適度な操舵反力を付与するために、ステアリング系統に接続された反力モータ９の駆動制御を行うものとする。

次に、コントローラ４で実行される駆動制御処理を、図２のフローチャートに従って説明する。図３は、そのブロック図である。
先ずステップＳ１では、操舵角、各車輪速、各転舵角などの各種データを読込む。
続くステップＳ２では、各車輪速に基づいて車速Ｖを算出する。
続くステップＳ３では、下記に示すように、操舵角θに応じて目標旋回半径Ｒを設定する。Ｒ_Eは操舵角θに対するゲインである。
１／Ｒ(s)＝Ｒ_E×θ(s)

なお、前輪操舵の車両運動特性に近づけるために、下記に示すように、ゲインＲ_Eを算出してもよい。Ａはスタビリティファクタ、Ｌはホイールベース、ｎはステアリングギア比である。
Ｒ_E＝１／｛（１＋ＡＶ²）×Ｌ×ｎ｝
また、ノイズなど高調波の影響を小さくするために、下記に示すように、ローパスフィルタを介して過渡特性を考慮してもよい。
１／Ｒ(s)＝Ｒ_E×｛１／（１＋Ｔｓ）｝×θ(s)
続くステップＳ４では、下記に示すように、目標回頭方向（以下、目標車体角と称す）αを設定する。Ｒ₀は旋回半径Ｒに対するゲインである。
α(s)＝Ｒ₀／Ｒ(s)

目標車体角αは、図４に示すように、平面上で、車体進行方向と車体前後方向とでなす角度である。図中、ホイールベースに対する垂直二等分線とトレッドに対する垂直二等分線との交点を基準点Ｏ′とし、基準点Ｏ′と旋回中心Ｏとの距離を旋回半径Ｒとする。基準点Ｏ′は、車両重心点としたり、運転席位置としたりしてもよい。

続くステップＳ５では、基準点Ｏ′を車体前後方向にＬ₀だけ移動させた車体の目標自転中心を設定する。基準点Ｏ′よりも前方か後方かはＬ₀の正負号によって決定し、ここでは正値のときに前方へ移動させ、負値のときに後方へ移動させる。例えば、車体を旋回内向きに回頭させるときには、Ｌ₀＞０にして目標自転中心を前方に移動させ、車体を旋回外向きに回頭させるときには、Ｌ₀＜０にして目標自転中心を後方に移動させる。Ｌ₀の値（大きさ）については、続くステップＳ６で説明する。

ステップＳ６では、下記に示すように、目標自転中心周りに車体角αだけ回転するように、基準点Ｏ′周りの目標横すべり角β、及び目標ヨーレートγを設定する。
β(s)＝−α(s)
γ(s)＝Ｖ／Ｒ(s)＋ｓ｛α(s)−Ｌ₀／Ｒ(s)｝
ここで、目標ヨーレートγが｛α(s)−Ｌ₀／Ｒ(s)｝に依存していることが分かる。
したがって、Ｌ₀をα(s)×Ｒ(s)より小さい値にするときに、α(s)の符号反転を抑制し、逆向きの自転運動を回避することができる。また、Ｌ₀をα(s)×Ｒ(s)に設定するとときに、自転運動をゼロにしたまま、目標車体角αを実現することができる。このように、Ｌ₀の設定次第で、任意の自転運動を実現することができる。

続くステップＳ７では、下記に示すように、目標横すべり角β及び目標ヨーレートγに応じて、前輪及び後輪の目標転舵角δｆ(s)及びδｒ(s)を算出する。Ｖは車速、Ａはスタビリティファクタ、ｍは車両質量、Ｉ_Zは車両のヨー慣性モーメント、Ｃ_fは前輪等価コーナリングパワー、Ｃ_rは後輪等価コーナリングパワー、Ｌ_fは重心と前輪車軸との距離、Ｌ_rは重心と後輪車軸との距離、Ｌはホイールベースである。

続くステップＳ８では、各目標転舵角に転舵角が一致するように、各転舵機構３ｉを駆動制御してから所定のメインプログラムに復帰する。
《作用》
次に、一実施形態の作用について説明する。
本実施形態では、目標旋回半径Ｒと目標車体角αと目標自転中心とを設定し（ステップＳ３〜Ｓ５）、これら目標旋回半径Ｒと目標車体角αと目標自転中心とに応じて目標横すべり角β及び目標ヨーレートγを設定し（ステップＳ６）、これら目標横すべり角β及び目標ヨーレートγに応じて前後輪の目標転舵角δｆ(s)及びδｒ(s)を算出し（ステップＳ７）、この目標転舵角δｆ(s)及びδｒ(s)が達成されるように転舵機構３ｉを駆動制御する（ステップＳ８）。

瞬間的には旋回中心に向かう径方向と直角な接線方向が進行方向となるので、図４に示すように、Ｌ₀だけ前方に移動させた目標自転中心では、基準点での進行方向よりも旋回内向きの進行方向となる。したがって、車両を旋回内向きに回頭させるときには、この前側の目標自転中心で自転させることで、基準点で自転させるよりも目標ヨーレートを小さくすることができる。

逆に、Ｌ₀だけ後方に移動させた目標自転中心では、基準点での進行方向よりも車体外向きの進行方向となるので、車両を旋回外向きに回頭させるときには、後側の目標自転中心で自転させることで、基準点で自転させるよりも目標ヨーレートを小さくすることができる。
このように、目標自転中心を基準点から車両のヨーモーメントが抑制される方向にずらすときに、前後輪で転舵角の急変を抑制することができる。したがって、挙動の乱れやアクチュエータに過度な負担を強いることを防げる。

但し、基準点と目標自転中心との前後方向の距離を、上限値｛α(s)×Ｒ(s)｝以下に制限する。これにより、目標ヨーレートγを算出する際に、α(s)の符号反転を抑制し、逆向きの自転運動を回避することができる。
そして、車体の前側、つまり運転席に近い位置で自転させると、運転者にとっては、基準点（一般に車両重心点）で自転させるよりも、体感的なヨーレートを小さくすることができる。逆に、車体の後側で自転させると、ステアリング操作に対して車体の後側が旋回外側に張り出すことを防げるので、操縦しやすくなる。
ここで、基準点を中心に自転した従来の場合と、基準点よりも前側で自転させた本実施形態の場合のシミュレーション結果を示す。

図５は、計算条件であり、車速４０［ｋｍ／ｈ］で直進している状態から、操舵角速度３６０［ｄｅｇ／ｓｅｃ］で操舵角９０［ｄｅｇ］までステアリング操作したとする。
従来では、基準点周りに自転させるために、図６及び図７に示すように、前後輪の転舵角を急変させている。これに対して、本実施形態では、基準点よりも前方で自転させるために、前後輪の急変を抑制することができる。したがって、アクチュエータとしての転舵機構３ｉに過度な負担を強いることはなく、転舵速度は最大で９割程度まで低減することができた。そして、図８に示すように、目標車体角αは維持しつつも、ヨーレートの過渡的な変化が小さくなるので、車両挙動が安定することも確認できた。

《応用例》
なお、上記の一実施形態では、各車輪２ｉの全てを個別に転舵可能な転舵機構３ｉを搭載しているが、少なくとも前後輪の夫々を転舵できればよいので、例えば、図９に示すように、前輪２ＦＬ・２ＦＲの舵角比を変更可能なギヤ比可変機構１０と、後輪２ＲＬ・２ＲＲを転舵可能な転舵機構１１とを設けることで、前後輪の夫々を転舵するような構成であっても、上記の一実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、図１０に示すように、実車から運動状態量を検出し、検出値と目標値との偏差にフィードバックゲインを乗じ、これをもって目標横すべり角β及び目標ヨーレートγをフィードバック補償してもよい。

《効果》
以上より、ステップＳ３の処理が「旋回半径設定手段」に対応し、ステップＳ４の処理が「回頭方向設定手段」に対応し、ステップＳ５の処理が「自転中心設定手段」に対応し、ステップＳ６の処理が「旋回挙動設定手段」に対応し、ステップＳ７の処理が「算出手段」に対応し、ステップＳ８の処理が「制御手段」に対応している。また、目標横すべり角β及び目標ヨーレートγが「目標旋回挙動」に対応している。

（１）前後輪の夫々を転舵可能な転舵機構と、運転者のステアリング操作に応じて車両の目標旋回半径を設定する旋回半径設定手段と、旋回半径設定手段で設定した目標旋回半径に応じて車体の目標回頭方向を設定する回頭方向設定手段と、回頭方向設定手段で設定した目標回頭方向へ車体を回頭させるときの目標自転中心を設定する自転中心設定手段と、旋回半径設定手段で設定した目標旋回半径、回頭方向設定手段で設定した目標回頭方向、及び自転中心設定手段で設定した目標自転中心に応じて、車両の目標旋回挙動を設定する旋回挙動設定手段と、旋回挙動設定手段で設定した目標旋回挙動に応じて前後輪の目標転舵角を算出する算出手段と、算出手段で算出した目標転舵角に応じて駆動機構を駆動制御する制御手段とを備えた。
これにより、特に目標自転中心を任意に設定することができるので、車両の動特性を考慮し、目標自転中心を車両基準点から車両のヨーモーメントが抑制される方向にずらすときに、前後輪で転舵角の急変を抑制することができる。したがって、挙動の乱れや、アクチュエータに過度な負担を強いることを防げる。

（２）旋回半径設定手段は、操舵角と車速に応じて車両の目標旋回半径を設定する。
これにより、横加速度の影響を受けることなく運転者のステアリング操作によって旋回半径をコントロールすることができ、運転者にとって旋回挙動を把握しやすくなる。
（３）自転中心設定手段は、車両基準点よりも前方又は後方に目標自転中心を設定する。
これにより、目標自転中心を基準点から車両のヨーモーメントが抑制される方向にずらすことができるので、前後輪で転舵角の急変を抑制することができる。したがって、挙動の乱れやアクチュエータに過度な負担を強いることを確実に防げる。

（４）自転中心設定手段は、車体を旋回内向きに回頭させるときには、車両基準点よりも前方に目標自転中心を設定し、車体を旋回外向きに回頭させるときには、車両基準点よりも後方に目標自転中心を設定する。
これにより、確実に目標自転中心を基準点から車両のヨーモーメントが抑制される方向にずらすことができるので、前後輪で転舵角の急変を抑制することができる。したがって、挙動の乱れやアクチュエータに過度な負担を強いることを確実に防げる。
（５）自転中心設定手段は、車両基準点と目標自転中心との前後方向の距離を、上限値以下に制限する。
これにより、目標旋回挙動を設定する際に、目標車体角の符号反転を抑制し、逆向きの自転運動を回避することができる。

概略構成である。 駆動制御処理を示すフローチャートである。 ブロック図である。 自転中心について説明する図である。 計算条件を示すタイムチャートである。 転舵角のタイムチャームである。 転舵角速度のタイムチャートである。 横すべり角とヨーレートのタイムチャートである。 他の実施形態である。 他の実地形態である。

符号の説明

１ 自動車
２ＦＬ〜２ＲＲ 車輪
３ＦＬ〜３ＲＲ 転舵機構
４ コントローラ
５ 操舵角センサ
６ ステアリングホイール
７ 車輪速センサ
８ 転舵角センサ
９ 反力モータ
１０ ギヤ比可変機構
１１ 転舵機構

Claims (5)

1. 前後輪の夫々を転舵可能な転舵機構と、運転者のステアリング操作に応じて車両の目標旋回半径を設定する旋回半径設定手段と、該旋回半径設定手段で設定した目標旋回半径に応じて車体の目標回頭方向を設定する回頭方向設定手段と、該回頭方向設定手段で設定した目標回頭方向へ車体を回頭させるときの目標自転中心を設定する自転中心設定手段と、前記旋回半径設定手段で設定した目標旋回半径、前記回頭方向設定手段で設定した目標回頭方向、及び前記自転中心設定手段で設定した目標自転中心に応じて、車両の目標旋回挙動を設定する旋回挙動設定手段と、該旋回挙動設定手段で設定した目標旋回挙動に応じて前後輪の目標転舵角を算出する算出手段と、該算出手段で算出した目標転舵角に応じて前記転舵機構を駆動制御する制御手段と、を備え、
   前記自転中心設定手段は、車体を旋回内向きに回頭させるときには、車両基準点よりも前方に目標自転中心を設定し、車体を旋回外向きに回頭させるときには、車両基準点よりも後方に目標自転中心を設定することを特徴とする旋回挙動制御装置。
2. 前記旋回半径設定手段は、操舵角と車速に応じて車両の目標旋回半径を設定することを特徴とする請求項１に記載の旋回挙動制御装置。
3. 前記自転中心設定手段は、車両基準点と目標自転中心との前後方向の距離を、上限値以下に制限することを特徴とする請求項１又は２に記載の旋回挙動制御装置。
4. 旋回挙動制御装置を備えた自動車において、
   前記旋回挙動制御装置は、前後輪の夫々を転舵可能な転舵機構と、運転者のステアリング操作に応じて車両の目標旋回半径を設定する旋回半径設定手段と、該旋回半径設定手段で設定した目標旋回半径に応じて車体の目標回頭方向を設定する回頭方向設定手段と、該回頭方向設定手段で設定した目標回頭方向へ車体を回頭させるときの目標自転中心を設定する自転中心設定手段と、前記旋回半径設定手段で設定した目標旋回半径、前記回頭方向設定手段で設定した目標回頭方向、及び前記自転中心設定手段で設定した目標自転中心に応じて、車両の目標旋回挙動を設定する旋回挙動設定手段と、該旋回挙動設定手段で設定した目標旋回挙動に応じて前後輪の目標転舵角を算出する算出手段と、該算出手段で算出した目標転舵角に応じて前記転舵機構を駆動制御する制御手段と、を備え、
   前記自転中心設定手段は、車体を旋回内向きに回頭させるときには、車両基準点よりも前方に目標自転中心を設定し、車体を旋回外向きに回頭させるときには、車両基準点よりも後方に目標自転中心を設定することを特徴とする自動車。
5. 前後輪の夫々を転舵可能な転舵機構を備え、
   運転者のステアリング操作に応じて車両の目標旋回半径を設定し、前記目標旋回半径に応じて車体の目標回頭方向を設定し、前記目標回頭方向へ車体を回頭させるときの目標自転中心を設定し、前記目標旋回半径、前記目標回頭方向、及び前記目標自転中心に応じて、車両の目標旋回挙動を設定し、前記目標旋回挙動に応じて前後輪の目標転舵角を算出し、前記目標転舵角に応じて前記転舵機構を駆動制御するものであって、
   前記目標自転中心を設定する際に、車体を旋回内向きに回頭させるときには、車両基準点よりも前方に目標自転中心を設定し、車体を旋回外向きに回頭させるときには、車両基準点よりも後方に目標自転中心を設定することを特徴とする旋回挙動制御方法。

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