JP5852471B2 - 車両制御装置、操舵模擬装置、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、車両制御装置、操舵模擬装置、及びプログラムに係り、特に、ドライバの操舵に基づく操舵トルクの目標値を実現するように制御する車両制御装置、操舵模擬装置、及びプログラムに関する。

従来より、ステアリングの操舵トルクは、ドライバが自動車の向きを制御する際に加えるもので、これはタイヤの復元力、ステアリングシャフトの剛性、粘性、摩擦、パワーステアリングによるアシストトルク等の各要素の和と釣り合うものである。パワーステアリングによるアシストトルクは、元来、ドライバの操舵負担を軽減すること、及び低車速域での取り回し性能を向上させることを目的として、操舵トルクと同じ向きに加えられることが多かった。近年では、高車速域での安定性を向上させるために操舵トルクと逆の向きに加えるといった、車速によりアシスト方法を可変にする技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

また、ドライバにとって良好な操舵感は、操舵角と操舵トルクとがある適切な関係の元で変化するときに得られる。上述したように、操舵トルクの大きさは、タイヤやステアリングシャフトの機械的な特性の影響を受けるが、これらは車速によって特性が変化することが知られており、車速変化に伴って操舵感が変化（悪化）することが問題視されている。これを解決するために、パワーステアリングによるアシストトルクを制御して、車速によらず結果として常に一定の操舵角と操舵トルクとの関係を維持する技術が提案されている（例えば、特許文献２）。

上記の特許文献１、２の技術は操舵中の操舵トルクを全般的に増減させる技術である。しかし、ドライバが感じ取りやすいのは、操舵途中の操舵トルクの変化である。この点に着目し、ドライバの操舵感を向上させるために、ドライバの触感特性に基づく適切な操舵トルクを与える技術が提案されている（例えば、特許文献３）。この技術は、操舵トルク変化の割合の感覚量と操舵トルクの感触量とに基づいて求められるドライバの手応え量という概念を導入し、操舵トルクと手応え量との関係に基づいた操舵トルクの目標値を設定するというものである。

特開２００４−１７５１６３号公報 特開２００３−２８５７５３号公報 特開２０１１−５７１７３号公報

車両の旋回を適切にコントロールするためには、ステアリング系の操舵トルクの特性と、旋回中の操舵角の変化（操舵速度）が重要となる。しかしながら、上記の特許文献３に記載の技術は、操舵途中の操舵トルクの変化をドライバの触覚特性に基づく手応え量と操舵トルクとの関係として表わし、その関係から適切な操舵トルクを設定する技術であり、操舵速度を考慮していない、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、任意の操舵速度に応じて、ドライバの感覚特性に基づく適切な操舵トルクを与えることができる車両制御装置、操舵模擬装置、及びプログラム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車両制御装置は、ドライバの操舵によるステアリングの操舵角及び操舵速度を検出する検出手段と、前記ステアリングの中立状態から、操舵方向が切り替わらずに前記ステアリングが操舵されているとき、前記操舵速度の各々における、前記操舵角の変化に対する前記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と、前記操舵角及び前記操舵トルクの何れか一方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操舵角及び前記操舵速度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制御手段と、を含んで構成されている。

本発明に係るプログラムは、コンピュータを、ステアリングの中立状態から、操舵方向が切り替わらずに前記ステアリングが操舵されているとき、ドライバの操舵による前記ステアリングの操舵速度の各々における、前記ステアリングの操舵角の変化に対する前記ステアリング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と、前記操舵角及び前記操舵トルクの何れか一方との予め定められた関係に基づいて、前記操舵角及び前記操舵速度を検出する検出手段によって検出された前記操舵角及び前記操舵速度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、及び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制御手段として機能させるためのプログラムである。

本発明によれば、検出手段によって、ドライバの操舵によるステアリングの操舵角及び操舵速度を検出する。目標設定手段によって、前記ステアリングの中立状態から、操舵方向が切り替わらずに前記ステアリングが操舵されているとき、前記操舵速度の各々における、前記操舵角の変化に対する前記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と、前記操舵角及び前記操舵トルクの何れか一方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操舵角及び前記操舵速度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、制御手段によって、目標設定手段によって設定された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、ステアリングの中立状態から操舵方向が切り替わらずに操舵されているとき、操舵速度の各々における操舵角及び操舵トルクの何れか一方と手応え量との関係に基づいて、操舵トルクの目標値を設定して、実現するように制御することにより、任意の操舵速度に応じて、ドライバの感覚特性に基づく適切な操舵トルクを与えることができる。

本発明に係る操舵角及び操舵トルクの何れか一方と手応え量との予め定められた関係は、前記操舵角及び前記操舵トルクの何れか一方の増加に従って前記手応え量が増加するように定められることができる。

本発明に係る目標設定手段は、前記操舵速度の各々における前記操舵角及び前記操舵トルクの何れか一方と前記手応え量との関係に基づいて予め定められる、前記操舵速度の各々における前記操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操舵角及び前記操舵速度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。

上記の手応え量を、操舵トルクの感覚量の増加に対して、操舵角の変化に対する操舵トルクの変化の割合の感覚量が加速度的に減少する関係であるときに一定となるものとすることができる。

上記の操舵トルクの感覚量を、操舵トルクと共に増加し、操舵トルクの増加に応じた増加量が、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ものとすることができる。

上記の操舵トルクの増加に応じた増加量が、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ときの操舵トルクを、２〜３Ｎｍとすることができる。

上記の操舵角の変化に対する操舵トルクの変化の割合の感覚量を、操舵角の変化に対する操舵トルクの変化の割合の対数に比例するものとすることができる。

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

本発明に係る操舵模擬装置は、上記の車両制御装置を構成する各手段を含んで構成されている。

以上説明したように、本発明の車両制御装置、操舵模擬装置、及びプログラムによれば、ステアリングの中立状態から操舵方向が切り替わらずに操舵されているとき、操舵速度の各々における操舵角及び操舵トルクの何れか一方と手応え量との関係に基づいて、操舵トルクの目標値を設定して、実現するように制御することにより、任意の操舵速度に応じて、ドライバの感覚特性に基づく適切な操舵トルクを与えることができる、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制御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制御装置のコンピュータの構成を示すブロック図である。 （Ａ）一般的な操舵角と操舵トルクとの関係を示すグラフ、及び（Ｂ）一般的な剛性と操舵トルク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。 ステアリングシミュレータのイメージ図である。 （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。 操舵速度が速いときの手応え量を示す図である。 （Ａ）操舵速度ｘにおける手応え等高線を示す図、（Ｂ）操舵速度ｙにおける手応え等高線を示す図、及び（Ｃ）操舵速度ｚにおける手応え等高線を示す図である。 手応え量と操舵トルクとの関係を示すグラフである。 手応え量が徐々に大きく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制御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。 操舵トルクと操舵角との対応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制御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。 手応え量と操舵角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制御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３の実施の形態に係る車両制御装置の構成を示す概略図である。 オンラインで目標の操舵トルクを求める方法を説明するための図である。

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。

図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る車両制御装置１０は、車両の操舵輪１２、１４を操舵するためにドライバにより操舵されるステアリング１６と、ドライバのステアリング操舵により回転駆動されるステアリングシャフト１８と、ステアリングシャフト１８の回転運動を直線運動に変換して操舵輪１２、１４へ伝達するラックアンドピニオン機構２０と、操舵輪１２、１４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２２を介してステアリングシャフト１８へ伝達して操舵輪１２、１４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）２４と、ステアリング１６の角度（操舵角）を検出する操舵角センサ２６と、ステアリング１６のトルク（操舵トルク）を検出する操舵トルクセンサ２８と、装置全体をコントロールするコンピュータ３０と、を備える。

コンピュータ３０は、ＣＰＵと、ＲＡＭと、後述する特性算出処理ルーチン及びトルク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。図２に示すように、コンピュータ３０は、操舵角センサ２６から入力された操舵角信号に基づいて、中立状態（直進状態）であるか否か、及び何れの操舵方向に操舵する操舵状態であるかを判定する状態判定部４０と、操舵角センサ２６から入力された操舵角信号に基づいて、操舵角の時間変化量（操舵速度）を検出する操舵速度検出部４１と、中立状態から操舵方向を切り替えずに操舵している時における操舵速度毎の操舵角と操舵トルクとの対応関係を表わす第１マップ、及び通常の操舵時における操舵角と操舵トルクとの対応関係を表わす第２マップを記憶した目標マップ記憶部４２と、状態判定部４０の判定結果に応じて第１マップ又は第２マップを用いて、操舵トルクの目標値を設定するトルク目標設定部４４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２４の作動を制御するアシスト制御部４６とを備えている。

ここで、本実施の形態における原理について説明する。

まず、一般的な車両の特性について説明する。ステアリング切り込み時の操舵反力特性(操舵トルクと操舵角の関係)は、図３（Ａ）に示すように、一般的に下に凸の変化となることが知られている。これは操舵トルクの増加とともに、操舵角の変化に対する操舵トルクの変化の比（以下、「剛性」とも称する。）が単調に低下することを表しているが、この低下度合いは車種や走行条件により様々である。図３（Ｂ）に示すように、操舵トルクの増加とともに剛性は単調に低下するものの、低下速度(図３（Ｂ）の曲線の勾配)がゆらぐことが一般的である。

上記剛性の低下度合いがある特徴を持つとき、ドライバは操舵感が良いと感じる。これは操舵に伴う「手応え」（舵が元の位置に戻ろうとして抵抗を受ける感覚）が不自然に揺らぐことが無いからである。

上記の操舵感が良いと感じられる特性は、人間の感覚の非線形性を考慮すると理解が容易となる。ここでは、操舵トルクと剛性の２つの物理量に対する感覚特性がポイントとなる。

まず、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について述べる。

操舵トルクの物理量と感覚量との関係は、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するという「マグニチュード推定法」により、図４のように得られることがわかっている。すなわち、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り、この変曲点となる操舵トルクは２〜３Ｎｍ程度である。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、調査には、図５に示すような、操舵反力特性（操舵角と操舵トルクとの関係）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。

剛性の物理量と感覚量の関係は、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「極限法」を用いることで、図６（Ａ）のように得られることがわかっている。この比例関係は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Ｗｅｄｅｒ−Ｆｅｃｈｎｅｒの法則として知られている。この関係を図６（Ｂ）に示す。なお被験者数は５名であり、いずれかの被験者の結果も同じ傾向を示した。また、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、手応えが不自然に揺らがない、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、同じ手応えに感じる操舵トルクと剛性の関係を調べた結果、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ている。図７に示すように、基準となる組み合わせを変更しても上記傾向は同じであり、基準となる手応えが大きいときには、前記漸近線が右側にシフトする。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、ドライバは一様な手応えで操舵することが可能と考えられる。

次に、操舵速度ごとの手応え等高線について説明する。図７の操舵トルクと剛性の関係を有するような同じ手応えと感じる操舵反力特性は、操舵速度が速い場合に手応えが小さくなるように感じられることがわかった（図８）。したがって、操舵角と手応えの目標特性を設定した場合、操舵速度が様々に変化しても目標を達成できる操舵トルクを求めるために、操舵速度も考慮した操舵トルクと剛性の関係を明らかにする必要がある。

そこで、操舵速度に応じて操舵トルクを補正する方法により、操舵速度が異なっていても同じ手応えと感じる操舵トルクと剛性の関係を求めた（図９（Ａ）〜（Ｃ））。図９（Ａ）〜（Ｃ）について、番号が同じ手応え等高線は、操舵速度がｘ、ｙ、ｚ、（ｘ＜ｙ＜ｚ）と変化しても同じ手応えに感じる特性である。この結果から、操舵速度が速くなると、同じ手応えに感じる等高線は右上方向にシフトする、すなわち操舵速度を考慮しない場合の操舵トルクと剛性の感覚量の関係において、手応えが大きくなる方向にシフトすることがわかる。

上記の図９（Ａ）〜（Ｃ）の手応え等高線を利用することで、操舵速度が変わっても目標に設定した手応えと操舵トルクの関係を実現できるようになる。

次に、本実施の形態において目標とする操舵トルクと手応え量との関係について説明する。

目標とする操舵トルクと手応え量との関係については、操舵速度毎に、上述したステアリングシミュレータを用いて、ステアリングホイールの中立位置から舵を切り込む際の操舵反力特性に関し、各操舵トルクについて感覚特性に合致すると感じる手応え量を調べることにより、各操舵速度における目標とする操舵トルクと手応え量との関係を求める。

例えば、ステアリングホイールの中立位置から舵を切り込む際の操舵反力特性に関し、図１０に示すように、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、操舵トルクが小さい領域では一定で、かつ、操舵トルクの大きい領域では、操舵トルクの増加に伴って単調に増加するように定めた、操舵速度毎の操舵トルクと手応え量との関係を用いて、操舵反力特性を定める。

操舵トルクの増加に伴って徐々に手応え量を増加していくことは、図１１に示すように、操舵トルクの感覚量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、上記図４に示すように、操舵トルクが大きい領域では、物理量の増加に対して感覚量が加速度的に増加するため、この非線形性を考慮しないと、過度に手応え量が増加しすぎることとなる。このため、物理量の増加に対して感覚量が加速度的に増加する領域において、この非線形性を考慮して手応え量を定義することがポイントとなり、上記図１０に示すように、操舵トルクの変化に対して急激な変化とならないよう手応え量を滑らかに増加させることが望ましい。

なお、舵の中立位置では操舵角及び操舵トルクともに０であるため、操舵を開始した際には手応え量はＥ_０である。

従って、本実施の形態では、中立状態から、操舵方向を切り替えずに操舵しているときに、操舵トルクの増加に伴って単調に増加するように操舵速度毎に定めた、操舵トルクと手応え量との関係に基づいて決定される、各操舵速度における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。

状態判定部４０は、操舵角センサ２６から入力された操舵角信号に基づいて、中立状態（直進状態）であるか操舵状態であるかを判定すると共に、メモリ（図示省略）に記録する。また、状態判定部４０は、操舵状態である場合には、何れの操舵方向の操舵状態であるか否かを判定して、メモリに記録する。

状態判定部４０は、現在の状態までの判定結果の時系列データに基づいて、中立状態（直進状態）から、操舵方向を切り替えずに操舵している一方向操舵状態であるか否かを判定する。

なお、ステアリング１６の操舵方向については、操舵角センサ２６により検出される操舵角に基づいて判定される。例えば、前回入力した操舵角と今回入力した操舵角との差の符号、すなわち正負により、ステアリング１６の操舵方向が判定される。

操舵速度検出部４１は、操舵角センサ２６から入力された操舵角信号に基づいて、操舵角の時間変化量（操舵速度）を算出する。なお、操舵速度を計測するセンサを取り付け、操舵角の時間変化量を得てもよい。

目標マップ記憶部４２は、操舵速度毎に、一方向操舵状態に対して、上記図１０に示すような、当該操舵速度における操舵トルク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当該操舵速度における操舵トルクと操舵角との対応関係を表わす第１マップを予め記憶している。また、目標マップ記憶部４２は、一方向操舵状態以外の状態に対して、上記の図３に示すような操舵角が大きいほど操舵トルクが大きくなるように予め定められた操舵角と操舵トルクとの対応関係を表わす第２マップを予め記憶している。第２マップは、従来既知の操舵角に対する操舵トルクの対応関係を表わしている。

トルク目標設定部４４は、一方向操舵状態であると判定された場合に、操舵角センサ２６から入力された操舵角信号、及び操舵速度検出部４１により検出された操舵速度に対応する第１マップに基づいて、検出された操舵角及び操舵速度に対応する操舵トルクを、目標値として設定する。また、トルク目標設定部４４は、一方向操舵状態以外であると判定された場合に、操舵角センサ２６から入力された操舵角信号及び記憶された第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４６は、設定された操舵トルクの目標値と、操舵トルクセンサ２８によって検出された操舵トルクとを比較して、操舵トルクの目標値に合わせて操舵トルクの増加分または減少分を算出し、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４６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１６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２４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２４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、第１の実施の形態に係る車両制御装置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３０において、図１２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。

まず、ステップ１００において、操舵速度ｖ_sを０に設定する。次に、ステップ１０１において、操舵速度の刻み量ｄｖ_sを所定値に設定する。そして、ステップ１０２において、メモリ（図示省略）に記憶された、上記図１０に示すような、操舵速度ｖ_sにおける操舵トルクと手応え量との関係を読み込み、ステップ１０３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。

そして、ステップ１０６において、読み込んだ操舵速度ｖ_sにおける操舵トルクと手応え量との関係に基づいて、操舵トルクＴに対応する手応え量の目標値Ｅ_Ｔを算出する。例えば、操舵トルクＴが０である場合には、手応え量の目標値Ｅ_０が算出される。次のステップ１０８では、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。

そして、ステップ１１０において、メモリに記憶された、図１３に示すような、操舵速度ｖ_sにおける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１０６で算出された手応え量の目標値Ｅ_Ｔ及び上記ステップ１０８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１１２において、上記ステップ１１０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１１４では、上記ステップ１１２で算出した剛性の物理量ｋ_Ｔから、以下の（１）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、操舵速度ｖ_sに対する組み合わせとして、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。

上記（１）式によって算出された操舵角ｑ_Ｔ＋ｄＴに、操舵角ｑは更新される。

そして、ステップ１１６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、操舵速度ｖ_sに対して全領域における操舵トルクと操舵角の対応関係が得られたと判断して、ステップ１２０へ進む。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１１８において、操舵トルクＴを、刻み量ｄＴだけ増加させて、上記ステップ１０６へ戻る。

ステップ１２０では、操舵速度ｖ_sが十分に大きいか否かを判定し、操舵速度ｖ_sが十分に大きい場合には、全領域の操舵速度ｖ_sにおいて操舵トルクと操舵角の対応関係が得られたと判断して、特性算出処理ルーチンを終了する。一方、操舵速度ｖ_sが十分に大きくない場合には、ステップ１２２において、操舵速度ｖ_sを、刻み量ｄｖ_sだけ増加させて、上記ステップ１０２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、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操舵トルクと操舵角の対応関係に基づいて、第１マップを作成する。例えば、図１４に示すように、操舵トルクの刻み幅ｄＴごとに、対応する操舵角（図１４の○点参照）が求められるため、それらを線形補間して、第１マップを生成する。また、操舵速度ｄｖ_sを刻み量ｄｖ_s毎に徐々に増加させていくことで、操舵速度の刻み幅ｄｖ_sごとに、操舵速度ｖ_sに対する第１マップを生成する。なお、補間方法として３次スプラインを用いてもよい。このように生成された操舵速度ｖ_s毎の第１マップが、目標マップ記憶部４２に記憶され、検出された操舵速度ｖ_sに対する第１マップを用いて操舵反力特性を制御することにより、任意の操舵速度ｖ_sにおいて所望の操舵トルクと手応えの関係を実現することができる。

次に、車両制御装置１０を搭載した車両の走行中に、コンピュータ３０において、図１５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１３０において、操舵トルクセンサ２８からの操舵トルク信号及び操舵角センサ２６からの操舵角信号を取得する。次のステップ１３１において、上記ステップ１３０で取得した操舵角信号に基づいて、操舵速度を算出する。ステップ１３２において、上記ステップ１３０で取得した操舵角信号に基づいて、中立状態であるか操舵状態であるかを判定すると共に、何れの操舵方向の操舵状態であるかを判定し、メモリ（図示省略）に記録する。

ステップ１３４において、上記ステップ１３２の判定結果の時系列データに基づいて、中立状態から、操舵方向を切り替えずに操舵している一方向操舵状態であるか否かを判定する。一方向操舵状態であると判定された場合には、ステップ１３６において、目標マップ記憶部４２から、上記ステップ１３１で算出した操舵速度に対する第１マップを読み出し、上記ステップ１３０で取得した操舵角信号が示す操舵角に対応する操舵トルクを、目標値として設定し、ステップ１４０へ移行する。

一方、上記ステップ１３４で、一方向操舵状態ではないと判定された場合には、ステップ１３８において、目標マップ記憶部４２から第２マップを読み出し、上記ステップ１３０で取得した操舵角信号が示す操舵角に対応する操舵トルクを、目標値として設定し、ステップ１４０へ移行する。

ステップ１４０では、上記ステップ１３０で取得した操舵トルク信号を示す操舵トルク、及び上記ステップ１３６又は１３８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１４２において、上記ステップ１４０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１６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２４を駆動制御して、ステップ１３０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制御装置によれば、ステアリングの中立状態から操舵方向が切り替わらずに操舵されているとき、操舵速度の各々におけるドライバの感覚特性に合致した操舵トルクと手応え量との関係を実現するように、操舵トルクの目標値を設定して制御することにより、任意の操舵速度に応じて、操舵トルク（反力）と剛性に関するドライバの感覚特性に合致した操舵反力特性（操舵中の反力・剛性の変化度合い）を与えることができ、車両の操安性及びドライバの操舵感が向上する。

次に、第２の実施の形態に係る車両制御装置について説明する。なお、第２の実施の形態に係る車両制御装置は、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２の実施の形態では、ドライバの感覚特性に応じて定められた操舵角と手応え量との関係に基づいて、第１マップを作成している点が、第１の実施の形態と異なっている。

第２の実施の形態では、ステアリングホイールの中立位置から舵を切り込む際の操舵反力特性に関し、図１６に示すように、操舵角変化に対する操舵トルクの変化割合（すなわち、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、操舵角が小さい領域では一定で、かつ、操舵角の大きい領域では、操舵角の増加に伴って単調に増加するように定めた、各操舵速度に対する操舵角と手応え量との関係を用いて、各操舵速度における操舵反力特性（操舵角と操舵トルクとの対応関係）を定める。

従って、本実施の形態では、中立状態から、操舵方向を切り替えずに操舵しているときに、手応え量が、操舵角が所定値未満の領域では一定で、かつ、操舵角が所定値以上の領域では、操舵角の増加に伴って単調に増加するように定めた、各操舵速度に対する操舵角と手応え量との関係に基づいて決定される、各操舵速度における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。

目標マップ記憶部４２は、一方向操舵状態に対して、操舵速度毎に、上記図１６に示すような、当該操舵速度における操舵角と手応え量との関係に基づいて予め定められた操舵トルクと操舵角との対応関係を表わす第１マップを予め記憶している。

次に、第２の実施の形態に係る特性算出処理ルーチンについて、図１７を用いて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の処理については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

まず、ステップ１００において、操舵速度ｖ_sを０に設定する。次に、ステップ１０１において、操舵速度の刻み量ｄｖ_sを所定値に設定する。そして、ステップ２００において、メモリ（図示省略）に記憶された、上記図１６に示すような操舵速度ｖ_sに対する操舵角と手応え量との関係を読み込み、ステップ１０３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２０２において、操舵角の刻み量ｄｑを所定値に設定する。

そして、ステップ２０４において、読み込んだ操舵速度ｖ_sに対する操舵角と手応え量との関係に基づいて、操舵角ｑに対応する手応え量Ｅ_ｑを算出し、ステップ２０６で、操舵角ｑ＋ｄｑに対応する手応え量の目標値Ｅ_ｑ＋ｄｑを算出する。

そして、ステップ２０８において、メモリに記憶された、図１８に示すような操舵速度ｖ_sにおける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２０６で算出された手応え量の目標値Ｅ_ｑ＋ｄｑを実現する剛性ｋ_ｑの感覚量と操舵トルクＴ_ｑ＋ｄｑの感覚量の組み合わせを、マップの逆引きにより求める。そして、操舵角がｄｑ増える間に手応えをＥ_ｑからＥ_ｑ＋ｄｑにちょうど変化させるための適切な剛性ｋ_ｑを、ニュートン法などの収束演算手法を用いて探索し、探索された剛性ｋ_ｑと組み合わせとなる操舵トルクＴ_ｑ＋ｄｑを、上記求められた剛性ｋ_ｑの感覚量と操舵トルクＴ_ｑ＋ｄｑの感覚量の組み合わせの各々を参照して求める。このとき、操舵トルクの感覚量と操舵トルクの物理量Ｔ_ｑ＋ｄｑとの変換、及び剛性の感覚量と剛性の物理量ｋ_ｑとの変換は、上述した方法により行われる。

次のステップ２１２では、上記ステップ２０８で探索した操舵トルクの物理量Ｔ_ｑ＋ｄｑ及び剛性ｋ_ｑから、以下の（２）式に従って、操舵トルクＴ_ｑ＋ｄｑを算出して、操舵角ｑ＋ｄｑと算出された操舵トルクＴ_ｑ＋ｄｑとの組み合わせを、操舵速度ｖ_sに対する組み合わせとしてメモリに記録する。

上記（２）式によって算出された操舵トルクＴ_ｑ＋ｄｑに、操舵トルクＴは更新される。

そして、ステップ１１６において、操舵角ｑ及び操舵トルクＴが十分に大きいか否かを判定し、操舵角ｑ及び操舵トルクＴが十分に大きい場合には、操舵速度ｖ_sに対して全領域における操舵トルクと操舵角の対応関係が得られたと判断して、ステップ１２０へ進む。一方、操舵角ｑ及び操舵トルクＴが十分に大きくない場合には、ステップ２１４において、操舵角ｑを、刻み量ｄｑだけ増加させて、上記ステップ２０４へ戻る。

ステップ１２０では、操舵速度ｖ_sが十分に大きいか否かを判定し、操舵速度ｖ_sが十分に大きい場合には、全領域の操舵速度ｖ_sにおける操舵トルクと操舵角の対応関係が得られたと判断して、特性算出処理ルーチンを終了する。一方、操舵速度ｖ_sが十分に大きくない場合には、ステップ１２２において、操舵速度ｖ_sを、刻み量ｄｖ_sだけ増加させて、上記ステップ２００へ戻る。

上記のように、特性算出処理ルーチンでは、操舵角を刻み量ｄｑ毎に徐々に増加させていくことで、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操舵トルクと操舵角の対応関係に基づいて、第１マップを作成する。例えば、操舵角の刻み幅ｄｑごとに、対応する操舵トルクが求められるため、それらを線形補間して、第１マップを生成する。また、操舵速度ｖ_sを刻み量ｄｖ_s毎に徐々に増加させていくことで、操舵速度の刻み幅ｄｖ_sごとに、操舵速度ｖ_sに対する第１マップを生成する。このように生成された操舵速度ｖ_s毎の第１マップが、目標マップ記憶部４２に記憶される。

なお、第２の実施の形態に係る車両制御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。

このように、ステアリングの中立状態から操舵方向が切り替わらずに操舵されているとき、操舵速度の各々におけるドライバの感覚特性に合致した操舵角と手応え量との関係を実現するように、操舵トルクの目標値を設定して制御することにより、任意の操舵速度に応じて、操舵トルク（反力）と剛性に関するドライバの感覚特性に合致した操舵反力特性（操舵中の反力・剛性の変化度合い）を与えることができ、車両の操安性及びドライバの操舵感が向上する。

なお、上記の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、一方向操舵状態以外の状態では、従来既知の操舵角と操舵トルクとの対応関係を示す第２マップを用いて、操舵トルクの目標値を設定してい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、一方向操舵状態以外の状態では、前回算出されたトルクアシスト量の指令値を保持するように制御してもよい。また、操舵方向が切り替わった場合には、操舵角の戻し量に応じて、トルクアシスト量の指令値を減らすように制御してもよい。

次に、第３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制御装置に、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３の実施の形態に係る車両制御装置３１０は、ステアリング１６とステアリングシャフト１８とラックアンドピニオン機構２０と操舵角センサ２６と操舵トルクセンサ２８とコンピュータ３３０とを備え、さらに、ドライバによるステアリング１６の操作に応じてステアリング１６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３２６と、ステアリング１６の操舵角に応じて操舵輪１２、１４の切り角を変更するための出力トルクを、減速機２２を介してラックアンドピニオン機構２０に伝達して操舵輪１２、１４へ出力する転舵モータ３２４と、を備える。

コンピュータ３３０は、上記第１の実施の形態と同様に、操舵速度毎の第１マップ又は第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３２６の駆動制御を行う。また、コンピュータ３３０は、操舵角センサ２６によって検出されたステアリング１６の操舵角に応じて、操舵輪１２、１４の切り角を変更するように転舵モータ３２４の駆動制御を行う。

なお、第３の実施の形態に係る車両制御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。

上記の第１の実施の形態〜第３の実施の形態では、オフラインにおいて、各操舵速度における操舵角と目標操舵トルクとの対応関係を求めておく場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、オンラインで、検出された操舵速度及び操舵角に対する目標操舵トルクを求めるようにしてもよい。この場合には、図２０に示すように、メモリに記憶された、検出された操舵速度信号に対する操舵角と手応え量との対応関係から、検出された操舵角信号に対する手応え量の目標値を算出する。また、検出された操舵角信号及び操舵トルク信号から、剛性（操舵角の変化に対する操舵トルクの変化の比）を算出する。算出された手応え量の目標値、算出された剛性、及び検出された操舵速度に対する手応え等高線マップから、目標となる操舵トルク（現在の操舵速度における目標の手応えを実現可能な操舵トルク）を求める。

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、車両に搭載した車両制御装置に本発明を適用した場合を例に説明したが、車両の操舵を模擬する操舵模擬装置に本発明を適用してもよい。例えば、操作者が操舵模擬装置に設けられた車両用シート（図示省略）に着座した状態で、ステアリングを操舵するように操作すると共に、ドライバからの視界を表わす映像を表示装置の表示画面に表示させて、ドライブシミュレーションを行ってもよい。この場合には、操舵模擬装置を、上記第３の実施の形態におけるステアリング１６、ステアリングシャフト１８、操舵角センサ２６、操舵トルクセンサ２８、反力モータ３２６、及びコンピュータ３３０を含んで構成すればよい。コンピュータ３３０は、操舵トルクセンサ２８及び操舵角センサ２６からの出力に基づいて、反力モータ３２６の駆動制御を行うと共に、操作者に対してドライバからの視界を表わす映像を表示する表示装置の表示を制御すればよい。

また、操舵トルク又は操舵角と手応え量との関係において、操舵トルク又は操舵角が所定値未満である範囲では、手応え量が一定となるように定められてい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、手応え量がほぼ一定となるように定められていればよい。

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、操舵トルクと操舵角との対応関係を表わすマップを用いて、検出された操舵角に対応する目標の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、操舵トルクと操舵角との対応関係を表わす式に従って、検出された操舵角から操舵トルクの目標値を算出するようにしてもよい。

本発明のプログラムを、記憶媒体に格納して提供することができる。

１０、３１０ 車両制御装置
１６ ステアリング
２６ 操舵角センサ
２８ 操舵トルクセンサ
３０、３３０ コンピュータ
４０ 状態判定部
４１ 操舵速度検出部
４２ 目標マップ記憶部
４４ トルク目標設定部
４６ アシスト制御部
３１０ 車両制御装置

Claims (10)

1. ドライバの操舵によるステアリングの操舵角及び操舵速度を検出する検出手段と、
   前記ステアリングの中立状態から、操舵方向が切り替わらずに前記ステアリングが操舵されているとき、前記操舵速度の各々における、前記操舵角の変化に対する前記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と、前記操舵角及び前記操舵トルクの何れか一方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操舵角及び前記操舵速度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制御手段と、
   を含む車両制御装置。
2. 前記操舵角及び前記操舵トルクの何れか一方と前記手応え量との予め定められた関係は、前記操舵角及び前記操舵トルクの何れか一方の増加に従って前記手応え量が増加するように定められた請求項１記載の車両制御装置。
3. 前記目標設定手段は、前記操舵速度の各々における前記操舵角及び前記操舵トルクの何れか一方と前記手応え量との関係に基づいて予め定められる、前記操舵速度の各々における前記操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操舵角及び前記操舵速度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又は２記載の車両制御装置。
4. 前記手応え量を、前記操舵トルクの感覚量の増加に対して、前記操舵角の変化に対する前記操舵トルクの変化の割合の感覚量が加速度的に減少する関係であるときに一定となるものとした請求項１〜請求項３の何れか１項記載の車両制御装置。
5. 前記操舵トルクの感覚量を、前記操舵トルクと共に増加し、前記操舵トルクの増加に応じた増加量が、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ものとした請求項１〜請求項４の何れか１項記載の車両制御装置。
6. 前記操舵トルクの増加に応じた増加量が、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ときの操舵トルクを、２〜３Ｎｍとした請求項５記載の車両制御装置。
7. 前記操舵角の変化に対する前記操舵トルクの変化の割合の感覚量を、前記操舵角の変化に対する前記操舵トルクの変化の割合の対数に比例するものとした請求項１〜請求項６の何れか１項記載の車両制御装置。
8. 前記制御手段は、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７の何れか１項記載の車両制御装置。
9. 請求項１〜請求項８の何れか１項記載の車両制御装置を構成する各手段を含む操舵模擬装置。
10. コンピュータを、
    ステアリングの中立状態から、操舵方向が切り替わらずに前記ステアリングが操舵されているとき、ドライバの操舵による前記ステアリングの操舵速度の各々における、前記ステアリングの操舵角の変化に対する前記ステアリング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と、前記操舵角及び前記操舵トルクの何れか一方との予め定められた関係に基づいて、前記操舵角及び前記操舵速度を検出する検出手段によって検出された前記操舵角及び前記操舵速度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、及び
    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制御手段
    として機能させるためのプログラム。

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