JP5291640B2 - 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）。

また、低速では、車両の進行方向と車両の前方方向とが車体スリップ角の分だけ異なる点に着目し、現在の車両進行方向と注視点とのなす角度に車体スリップ角を加えた視線振れ角がハンドル角に比例するように、ステアリングギヤ比を設定する技術が知られている（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

特開２００１−１５１１３３号公報

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操舵角が大きくクイックになりすぎて、運転の安定性が低下してしまう、という問題がある。

また、上記の特許文献１に記載の技術では、車体スリップ角を考慮しているために低速でのヨー角速度ゲイン（操舵角からヨー角速度までのゲイン）が低下し、ギヤ比がクイックになりすぎることの防止を狙っているが、車体スリップ角の考慮のみでは微低速領域でのヨー角速度ゲインの抑制が不十分であり、ギヤ比がクイックになりすぎてしまい、運転の安定性が低下してしまう、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、運転の安定性を低下させずに、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、車速が所定値以上の領域において、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と共に、車速が所定値未満の領域において、ドライバからの前方視界の見切り線上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ように予め定められた、前記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ように構成されている。

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、車速が所定値以上の領域において、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と共に、車速が所定値未満の領域において、ドライバからの前方視界の見切り線上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。

このように、車速が所定値以上の領域において、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と共に、車速が所定値未満の領域において、見切り線上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ように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、運転の安定性を低下させずに、ドライバの感覚に合った操舵を行うことができる。

本発明に係る操舵装置は、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、ハンドルの舵角から車両に発生するヨー角速度までのヨー角速度ゲインとし、予め定められたヨー角速度ゲインと車速との関係を実現するようにすることができる。

本発明に係るヨー角速度ゲインと車速との関係は、車速が所定値未満の領域において、ヨー角速度ゲインが車速に対して比例し、車速が所定値以上の領域において、ヨー角速度ゲインが、分子の定数項のみ負の係数を有し、かつ、分子の他の項及び分母の項は正の係数を有する２次分の１次の有理関数である車速の関数により算出された値となるように定められることができる。

本発明に係るヨー角速度ゲインと車速との関係は、車速が所定値未満の領域において、ドライバから見たハンドル中心までの俯角と前方視界の見切り線までの俯角との相対俯角を、ドライバから見た前方視界の見切り線上に位置する道路面位置とドライバの位置との距離の半分の長さと、車両重心と後軸との間の距離との和で除した値を係数として、ヨー角速度ゲインが、前記係数と車速との積となるように定められることができる。

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。

上記の所定値を、前方注視時間後の目標到達点がドライバからの前方視界の見切り線上に位置するときの車速とすることができる。

本発明に係る操舵装置は、車両の車速を検出する車速検出手段と、車速検出手段によって検出された車速及び予め定められたハンドルの舵角と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、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制御手段と、を含んで構成することができる。

本発明に係る操舵装置は、車両の車速を検出する車速検出手段と、車速検出手段によって検出された車速及び予め定められたハンドルの舵角と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、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制御手段と、を含んで構成することができる。

以上説明したように、本発明の操舵装置によれば、車速が所定値以上の領域において、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と共に、車速が所定値未満の領域において、見切り線上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ように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、運転の安定性を低下させずに、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の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の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。 （Ａ）ハンドル中心俯角と見切り線俯角との相対俯角を説明するための図、及び（Ｂ）前方注視点が見切り線より上に存在する場合を示すイメージ図である。 車速とヨー角速度ゲイン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の実施の形態の場合と固定ギヤ比の場合とにおける車速とヨー角速度ゲインとの関係を示すグラフである。 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。 ４ＷＤと２ＷＤとにおける車速とヨー角速度ゲインとの関係を示すグラフである。 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、第１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。

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２６に接続されている。

コンピュータ２４は、ＣＰＵと、ＲＡＭと、後述する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、車速及びヨー角速度ゲインの関係を示すマップを予め記憶したマップ記憶手段３０と、車速センサ２６からの車速に基づいて、マップ記憶手段３０に記憶されたマップに従って、ヨー角速度ゲインの目標値を算出するヨーゲイン算出手段３２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手段３４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手段３６とを備えている。

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、特願２００９−９８６３号明細書の記載から、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、ハンドルの舵角が１０ｄｅｇ以下の小舵角領域を仮定すると、ハンドルの舵角からヨー角速度までのゲインであるヨー角速度ゲインｋは、 以下の（１６）式のように近似的に導出される。

上記（１６）式は、分子の定数項のみ負の係数を有し、かつ、分子の他の項及び分母の項は正の係数を有する２次分の１次の有理関数である車速の関数を表わしている。

なお、上記（１６）式は、図６（Ｂ）に示すように、前方注視時間Ｔ_gazeに対応する前方注視点が、ドライバからの前方視野における見切り線より上に存在する車速領域においてのみ成立する。この車速より低い車速領域では、ドライバは、前方注視時間Ｔ_gazeに対応する前方注視点を見ることはできず、見切り線より上の視覚情報に基づいてハンドル操舵を行っている。

そこで、この車速領域では、見切り線上に前方注視点を仮定し、見切り線に消失する到達予測点（見切り線上の前方注視点）の方向と、ハンドルの基準位置の方向とを一致させるヨー角速度ゲインを求める。

ここで、前方注視時間Ｔ_gaze後の予測到達点（目標コース上の目標到達点）がドライバからの前方視野における見切り線上に来るときの車速ｖ₀は、見切り線俯角θ_zfview（図６（Ａ）参照）とアイポイント高ｈ_eyeとから、以下の（１７）式のように記述できる。

上記（１７）式で表される車速ｖ₀以下では、上記（１６）式における前方注視時間Ｔ_gazeを以下の（１８）式に置き換えることによって、以下の（１９）式で表わすことができ、見切り線に消失する到達予測点（見切り線上の前方注視点）の方向とハンドルの基準位置の方向とを一致させることができる。

なお、上記（１９）式は、速度が小さい領域で利用する関係式であることから、分母にある車速の２乗項を無視することができ、以下の（２０）式で表される関係式に近似できる。

なお、Ｌ_fviewは、ドライバからの前方視界の見切り線上の道路面位置とドライバ位置との距離である。

上記（２０）式は、ドライバから見たハンドル中心までの俯角と前方視界の見切り線までの俯角との相対俯角を、ドライバから見た前方視界の見切り線上に位置する道路面位置とドライバの位置との距離の半分の長さと、車両重心と後軸との間の距離との和で除した値を係数として、ヨー角速度ゲインが、上記係数と車速との積となることを表わしている。

以上のようにハンドルの舵角に対するヨー角速度の特性を設定することによって、前方注視点がドライバからの前方視野における見切り線より上に存在する車速領域において、ドライバの視点から見た、ハンドルの基準位置の方向と前方注視点の方向とを一致させることができ、上記車速領域より低い車速領域では、ハンドルの基準位置の方向と見切り線上に仮定した前方注視点の方向と一致させることができるため、微低速から高速領域まで常に望ましい車両運動特性が得られ、車両との一体感が向上する。また、前方注視点を見切り線上に設定する微低速領域では、速度に依らず一定距離先の車両到達点を前方注視点とすることで、前方注視時間は車速に反比例した値となる。この点は、前方注視時間一定と仮定した従来技術と異なり、車速に比例した前方注視時間を設定することによって車速に比例したヨー角速度ゲインが実現されギヤ比がクイックになりすぎる、という課題を解決する。

本実施の形態では、ヨー角速度とハンドルの舵角の比であるヨー角速度ゲインｋ（ハンドルの舵角からヨー角速度までのヨー角速度ゲイン）と、車速ｖとの関係を示すマップを求めるために、前方注視点がドライバからの前方視野における見切り線より上に存在する車速領域では、上記（１６）式に基づいてヨー角速度ゲインを算出し、また、上記車速領域より低い車速領域では、上記（２０）式に基づいてヨー角速度ゲインを算出した。これによって、図７に示すような、ヨー角速度ゲインｋと車速ｖとの関係を示すマップが得られる。なお、図７中の式は、上記（１６）式、（２０）式を、車速の関数として簡略的に記載したものである。

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のマップ記憶手段３０には、上記図７に示すような、車速とヨー角速度ゲインとの関係を定めたマップが記憶されている。

ヨーゲイン算出手段３２は、車速センサ２６によって検出された車速に対応するヨー角速度ゲインの目標値を、マップ記憶手段３０に記憶されたマップに従って算出する。

次に、上記の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（２１）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（２２）式の関係が得られる。

上記（２１）式、（２２）式により、上記図７に示す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（２３）式で表される。

ギヤ比算出手段３４は、上記（２３）式に従って、ヨーゲイン算出手段３２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２６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。

ギヤ比制御手段３６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。

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。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８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１００において、車速センサ２６より検出された車速を取得する。そして、ステップ１０２において、マップ記憶手段３０に記憶されたマップに従って、上記ステップ１００で取得した車速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１０４では、上記ステップ１００で取得した車速と上記ステップ１０２で算出されたヨー角速度ゲインの目標値とから、上記（２３）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１０６において、上記ステップ１０４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１００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。

次に、本実施の形態における車速とヨー角速度ゲインとの目標特性を、従来技術と比較した結果について説明する。

図９では、車速とヨー角速度ゲインの関係について、従来技術として固定ギヤ比の車両を用いた場合の特性と、本実施の形態で提案した目標特性とを比較して示している。上記（２３）式の制御則は、破線で示した固定ギヤ比のときの特性を、実線で示した目標特性に変更するためのギヤ比となっている。このようなヨー角速度ゲインの設定によって、到達予測軌跡上（目標コース上）の前方注視点の方向とハンドルの基準位置の方向とを一致させることが達成され、ドライバは「これから向かいたい目標の方向にハンドルを向ける」という自然な操作によって滑らかな運転が実現でき、車両との一体感や操作性の評価を向上させることができる。また、ハンドルの切り過ぎや操舵不足に伴う修正操舵を減らし、車両の安定性を向上することもできる。

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、車速が所定値以上の領域において、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と共に、車速が所定値未満の領域において、ドライバの視点から見た、見切り線上に設定された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車速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、運転の安定性を低下させずに、車両とドライバとの一体感を向上させることができ、ドライバの感覚に合った操舵を行うことができる。

また、ドライバから見た、ハンドルの基準位置の方向を前方注視点の方向に一致させることによって、車両との一体感が向上する点に着目し、ドライバから見える前方注視点の方向とハンドルの基準位置の方向（操舵方向）が一致するようなヨー角速度ゲインの設定を行う。また、前方注視時間を一定と仮定する場合、微低速では前方注視点がドライバからのフロント見切り線に隠れてしまう。このような微低速の速度領域では、ドライバはなるべく車両の直近を見ようとする結果、見切り線上を注視する点に着目し、見切り線上の前方注視点、すなわちこれから車両が到達する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なヨー角速度ゲインの設定を行う。このようなヨー角速度ゲインの設定によって、微低速から高速領域まで常に望ましい車両運動特性が得られ、車両との一体感が向上する。

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１０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、マップ記憶手段３０と、車速センサ２６からの車速及び操舵角センサ２２８からの舵角に基づいて、マップ記憶手段３０に記憶されたマップに従って、ヨー角速度の目標値を算出するヨーレート算出手段２３２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手段２３４と、ギヤ比制御手段３６とを備えている。

ヨーレート算出手段２３２は、車速センサ２６によって検出された車速に対応するヨー角速度ゲインを、マップ記憶手段３０に記憶されたマップに従って算出し、算出したヨー角速度ゲインと、操舵角センサ２２８によって検出されたハンドルの舵角とに基づいて、ヨー角速度の目標値を算出する。

ギヤ比算出手段２３４は、ヨーレート算出手段２３２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２６によって検出された車速ｖとに基づいて、上記（２１）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２２８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（２２）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２６より検出された車速及び操舵角センサ２２８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、マップ記憶手段３０に記憶されたマップに従って、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（２１）式、（２２）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。

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、車速が所定値以上の領域において、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と共に、車速が所定値未満の領域において、ドライバの視点から見た、見切り線上に設定された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車速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、運転の安定性を低下させずに、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３の実施の形態に係る車両操舵装置の構成は、第１の実施の形態と同様の構成となるため、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、車両操舵装置が後輪操舵車両に搭載されている点が、第１の実施の形態と主に異なっている。

後輪操舵車両は、後輪の舵角を制御することによってヨー角速度に対する車体スリップ角の特性を自由に設定することができる。そこで、第３の実施の形態では、たとえば、後輪を操舵しないときのヨー角速度と横スリップ角の特性を示す上記（７）式に対し、車速に応じたゲインｋ_β（ｖ）を乗じた以下の（２４）式を、上記（５）式に代入する。

第１の実施の形態と同様の整理を施すことにより、以下の（２５）式、（２６）式で表されるヨー角速度ゲインの目標特性が得られる。

上述したように、本実施の形態では、ヨー角速度とハンドルの舵角の比であるヨー角速度ゲインｋと、車速ｖとの関係を示すマップを求めるために、前方注視点がドライバからの前方視野における見切り線より上に存在する車速領域では、上記（２５）式に基づいてヨー角速度ゲインを算出し、また、上記車速領域より低い車速領域では、上記（２６）式に基づいてヨー角速度ゲインを算出して、ヨー角速度ゲインｋと車速ｖとの関係を示すマップを求め、マップ記憶手段３０に記憶しておく。

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については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

次に、第３の実施の形態における車速とヨー角速度ゲインとの目標特性を、前輪操舵車両（２ＷＳ車両）の場合と比較した結果について説明する。

図１１は、すべての車速域で後輪を操舵しない車両において生じる車体スリップ角の半分の車体スリップ角が生じるように後輪を制御したときの後輪操舵車両における車速と目標のヨー角速度ゲインの特性（図１１の破線参照）を、２ＷＳ車両の場合（図１１の実線参照）と比較して示した図である。すなわち、車体スリップ角のゲインを以下の（２７）式のように設定したときの後輪操舵車両における車速と目標のヨー角速度ゲインの特性を２ＷＳ車両の場合と比較して示した図である。

車体スリップ角が旋回外向きに生じる低速領域では、２ＷＳ車両と比較してヨー角速度ゲインの目標値を大きくするとともに、車体スリップ角が旋回内向きに生じる高速領域では、２ＷＳ車両と比較してヨー角速度ゲインの目標値を小さく設定することによって、到達予測軌跡上の前方注視点の方向とハンドルの基準位置の方向とを一致させることが達成される。これにより、ドライバは「これから向かいたい目標の方向にハンドルを向ける」という自然な操作によって滑らかな運転が実現でき、車両との一体感や操作性の評価を向上させることができる。

次に、第４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４の実施の形態では、車速に応じたステアリングギヤ比を機構的に実現している点が、第１の実施の形態と主に異なっている。

図１２に示すように、第４の発明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に連動する回動軸１４に連結されたピニオン４２０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、回動軸１４を介して、ピニオン４２０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。

第４の実施の形態では、車両の構造が、以下のように設計されている。

まず、上記（２１）式、（２２）式により、以下の（２８）式が得られる。

また、ヨー角速度とハンドルの舵角とは、以下の（２９）式の関係が成り立つ。

そして、上記（２８）式、（２９）式により、ステアリングギヤ比を固定とした場合の特性（ヨー角速度ゲインの車速依存性）を、上記第１の実施の形態で説明した上記図７の実線が示す車速ｖとヨー角速度ゲインｋとの関係に近づけるような、車両の設計パラメータｌ_f、Ｃ_f、ｌ_r、Ｃ_rと、固定のステアリングギヤ比ｇ_swとを求める。

求められた車両の設計パラメータｌ_f、Ｃ_f、ｌ_r、Ｃ_rに従って車両の構造を設計すると共に、求められた固定のステアリングギヤ比ｇ_swを実現するようにピニオン４２０のピニオンギヤを設計する。

本実施の形態に係る車両操舵装置４１０を搭載した車両は、ピニオン４２０のピニオンギヤ及び車両の諸源により、車速に応じたヨー角速度ゲインの目標値に近い特性を実現することができる。

なお、上記の第１の実施の形態〜第４の実施の形態では、前輪又は後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、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。

１０、４１０ 車両操舵装置
１２ ステアリングホイール
１６ ステアリングギヤ比可変機構
２０、４２０ ピニオン
２４、２２４ コンピュータ
２６ 車速センサ
３０ マップ記憶手段
３２ ヨーゲイン算出手段
３４、２３４ ギヤ比算出手段
３６ ギヤ比制御手段
２２８ 操舵角センサ
２３２ ヨーレート算出手段

Claims (9)

1. 車速が所定値以上の領域において、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と共に、車速が所定値未満の領域において、ドライバからの前方視界の見切り線上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ように予め定められた、前記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操舵装置。
2. 前記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、前記ハンドルの舵角から車両に発生するヨー角速度までのヨー角速度ゲインとし、
   予め定められた前記ヨー角速度ゲインと車速との関係を実現するようにした請求項１記載の操舵装置。
3. 前記ヨー角速度ゲインと車速との関係は、
   車速が所定値未満の領域において、ヨー角速度ゲインが車速に対して比例し、車速が所定値以上の領域において、ヨー角速度ゲインが、分子の定数項のみ負の係数を有し、かつ、分子の他の項及び分母の項は正の係数を有する２次分の１次の有理関数である車速の関数により算出された値となるように定められた請求項２記載の操舵装置。
4. 前記ヨー角速度ゲインと車速との関係は、車速が所定値未満の領域において、ドライバから見たハンドル中心までの俯角と前方視界の見切り線までの俯角との相対俯角を、ドライバから見た前方視界の見切り線上に位置する道路面位置とドライバの位置との距離の半分の長さと、車両重心と後軸との間の距離との和で除した値を係数として、ヨー角速度ゲインが、前記係数と車速との積となるように定められた請求項３記載の操舵装置。
5. 車両のステアリングギヤ比によって前記ハンドルの操舵角とヨー角速度との関係を実現する請求項１〜請求項４の何れか１項記載の操舵装置。
6. 前記前方注視時間を、２．５秒〜３．５秒とした請求項１〜請求項５の何れか１項記載の操舵装置。
7. 前記所定値を、前記前方注視時間後の目標到達点がドライバからの前方視界の見切り線上に位置するときの車速とした請求項１〜請求項６の何れか1項記載の操舵装置。
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及び前記予め定められ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制御手段と、
   を含む請求項１〜請求項７の何れか１項記載の操舵装置。
9. 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及び前記予め定められ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制御手段と、
   を含む請求項１〜請求項７の何れか１項記載の操舵装置。

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