特開 2023-92692 操舵装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023092692

(43)【公開日】2023-07-04

(54)【発明の名称】操舵装置

(51)【国際特許分類】

   B62D 6/00 20060101AFI20230627BHJP

【ＦＩ】

B62D6/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021207856

(22)【出願日】2021-12-22

(71)【出願人】

【識別番号】000001247

【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト

(74)【代理人】

【識別番号】100109210

【弁理士】

【氏名又は名称】新居 広守

(72)【発明者】

【氏名】永野 貴宣

【テーマコード（参考）】

3D232

【Ｆターム（参考）】

3D232CC20

3D232DA04

3D232DA50

3D232DA76

3D232DA84

3D232DC08

3D232DC33

3D232DC34

3D232DC35

3D232DD01

3D232DD06

3D232DD17

3D232DE03

3D232EA01

3D232EB05

3D232GG01

(57)【要約】

【課題】車両の荷重が大きく変化した場合でも操舵を安定させる。
【解決手段】転舵輪２２０を転舵する転舵機構１５０と、転舵機構１５０を制御する転舵制御装置１３０と、を備える操舵装置であって、転舵制御装置１３０は、目標舵角を取得する目標舵角取得部１３１と、転舵輪２２０にかかる荷重を示す荷重値を取得する荷重値取得部１３２と、目標舵角と、転舵輪の実舵角とが一致するように転舵機構１５０が備えるアクチュエータに対しフィードバック制御を行うフィードバック制御部１３３と、荷重値に応じてフィードバック制御部１３３が用いるフィードバックゲインを更新させるゲイン更新部１３４と、を備える操舵装置１００。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

転舵輪を転舵する転舵機構と、前記転舵機構を制御する転舵制御装置と、を備える操舵装置であって、
前記転舵制御装置は、
目標舵角を取得する目標舵角取得部と、
前記転舵輪にかかる荷重を示す荷重値を取得する荷重値取得部と、
前記目標舵角と、前記転舵輪の実舵角とが一致するように前記転舵機構が備えるアクチュエータに対しフィードバック制御を行うフィードバック制御部と、
前記荷重値に応じて前記フィードバック制御部が用いるフィードバックゲインを更新させるゲイン更新部と、を備える
操舵装置。

【請求項2】

前記転舵機構は、アクチュエータとして電動アクチュエータ、および油圧アクチュエータを備え、
前記フィードバック制御部は、電動アクチュエータ、および油圧アクチュエータにより前記転舵輪の実舵角に基づき前記電動アクチュエータに対してフィードバック制御を行う
請求項１に記載の操舵装置。

【請求項3】

前記目標舵角取得部は、
目標舵角を自動運転装置から取得する
請求項１または２に記載の操舵装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、実舵角が目標舵角に合致するようにフィードバック制御を行う操舵装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、目標転舵角に対して実舵角が合致するように転舵輪の転舵を制御する操舵装置において、車両の荷重が大きいほど、転舵角の変化量である転舵量を大きくする技術が存在している（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４－２０６２７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、転舵量を変化させることによりある程度安定した走行が可能になるが、車両の荷重の変化が大きくなった場合、転舵量の変化だけでは車両の走行安定性を確保することが困難になることを発明者は見出すに至った。

【0005】

本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、車両の荷重が大きく変化した場合でも走行中の車両挙動の変化幅を小さくし、より安定した走行を可能とする操舵装置の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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、転舵輪を転舵する転舵機構と、前記転舵機構を制御する転舵制御装置と、を備える操舵装置であって、前記転舵制御装置は、目標舵角を取得する目標舵角取得部と、前記転舵輪にかかる荷重を示す荷重値を取得する荷重値取得部と、前記目標舵角と、前記転舵輪の実舵角とが一致するように前記転舵機構が備えるアクチュエータに対しフィードバック制御を行うフィードバック制御部と、前記荷重値に応じて前記フィードバック制御部が用いるフィードバックゲインを更新させるゲイン更新部と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、転舵輪の回転軸に加わる荷重の大きさに応じてフィードバックゲインを調整し、目標舵角に基づく車両の安定した操舵を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】操舵装置を備えるステアリングシステムを模式的に示す図である。

【図2】転舵制御装置の機能構成を示すブロック図である。

【図3】フィードバック制御部、およびゲイン更新部の具体的構成の一例を示すブロック図である。

【図4】操舵装置を備えるステアリングシステムの別例を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。

【0010】

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。また、図中に示す場合があるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、図の説明のために任意に設定した直交座標を示している。つまりＺ軸は、鉛直方向に沿う軸とは限らず、Ｘ軸、Ｙ軸は、水平面内に存在するとは限らない。

【0011】

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。

【0012】

図１は、操舵装置を備えるステアリングシステムを模式的に示す図である。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、自動運転装置２５０と、を備えている。

【0013】

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、を備えている。なお、操作入力手段２１０は、さらに、トルク検出装置、反力装置などを備えても構わない。

【0014】

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。

【0015】

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。例えば、操作軸体２１２は、操舵軸体１１９を介してピニオンシャフト１５１に機械的に連結されてもよく、また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とピニオンシャフト１５１との機械的連結を切り離しても構わない。本実施の形態の場合、操作軸体２１２と転舵機構１５０とは機械的に連結されておらず、ステアリングシステム２００は、いわゆるリンクレスステア・バイ・ワイヤシステムとなっている。

【0016】

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。

【0017】

自動運転装置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、自動運転装置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の転舵制御装置１３０に出力する。

【0018】

操舵装置１００は、目標舵角に基づいて転舵輪２２０を転舵し、車両を走向する装置であり、転舵機構１５０と、転舵制御装置１３０と、を備えている。

【0019】

転舵機構１５０は、アクチュエータを備え、アクチュエータが発生させる力により転舵輪２２０を転舵させる機構である。転舵機構１５０の具体的な構造は、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、ラックシャフト１５２と、タイロッド１５３と、を備えるラック・アンド・ピニオン機構が採用されている。転舵機構１５０は、アクチュエータとして電動アクチュエータ１１１と、油圧アクチュエータ１４０と、を備えている。

【0020】

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、モータなどの電動アクチュエータ１１１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。

【0021】

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、油圧アクチュエータ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。

【0022】

電動アクチュエータ１１１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。本実施形態の場合、電動アクチュエータ１１１は、減速機１１２に接続され、電動アクチュエータ１１１の出力軸体は、減速機１１２を介して操舵軸体１１９に連結されている。電動アクチュエータ１１１が転舵機構１５０に付与するトルクである第一トルクは、油圧アクチュエータ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。

【0023】

本実施の形態の場合、減速機１１２の出力軸には、回転角検出手段１１３が取り付けられている。回転角検出手段１１３は、操舵軸体１１９の回転角を検出し、検出回転角として転舵制御装置１３０に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、例えば、電動アクチュエータ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。

【0024】

油圧アクチュエータ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。油圧アクチュエータ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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

図２は、転舵制御装置の機能構成を示すブロック図である。転舵制御装置１３０は、目標舵角に応じた転舵輪２２０の実舵角となるように電動アクチュエータ１１１を制御する装置であり、ＥＣＵの１つである。転舵制御装置１３０は、プロセッサを備え、プロセッサにプログラムを実行させることにより実現される処理部として、目標舵角取得部１３１と、荷重値取得部１３２と、フィードバック制御部１３３と、ゲイン更新部１３４と、を備えている。なお、転舵制御装置１３０の処理部の一部、または全部を、半導体素子などを組み合わせた回路により構成してもかまわない。

【0028】

目標舵角取得部１３１は、車両を走向するための目標となる舵角を示す情報である目標舵角を取得する。目標舵角取得部１３１の目標舵角の取得先は、特に限定されるものではなく、例えば操作入力手段２１０の目標舵角検出手段２１３から取得してもよく、自動運転装置２５０から目標舵角を取得してもかまわない。本実施の形態の場合、目標舵角取得部１３１は、自動運転装置２５０から目標舵角を取得している。

【0029】

荷重値取得部１３２は、転舵輪２２０にかかる荷重を示す情報である荷重値を取得する。荷重値の取得先は、特に限定されるものではなく、例えば転舵輪２２０が取り付けられているフロント軸の軸荷重（いわゆるフロント軸重）を測定するセンサからの信号を荷重値として取得してもかまわない。また、フロントサスペンションの撓み量を測定するセンサからの信号を荷重値として取得してもかまわない。また、乗降者の数の差分、着座センサから得られる搭乗者の数、搭載した荷物の荷重などを荷重値として取得してもかまわない。

【0030】

フィードバック制御部１３３は、目標舵角取得部１３１が取得した目標舵角と、回転角検出手段１１３が出力した検出回転角に基づき転舵輪２２０の実舵角とを取得し、取得した目標舵角と実舵角とが一致するように電動アクチュエータ１１１に対しフィードバック制御を行う。

【0031】

図３は、フィードバック制御部、およびゲイン更新部の具体的構成の一例を示すブロック図である。本実施の形態の場合、フィードバック制御部１３３は、ＰＩＤ制御（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌｌ）によりフィードバック制御を行っている。

【0032】

本実施の形態の場合、フィードバック制御部１３３は、電動アクチュエータ１１１、および油圧アクチュエータ１４０からなるアクチュエータにより転舵される転舵輪２２０の実舵角に基づき電動アクチュエータに対してフィードバック制御を行っている。実舵角は、回転角検出手段１１３から取得した検出回転角から推定してもよく、センサにより得られた実舵角を用いてもかまわない。

【0033】

ゲイン更新部１３４は、荷重値取得部１３２が取得した荷重値に応じてフィードバック制御部１３３が用いるフィードバックゲインを更新させる。ゲイン更新部１３４によるフィードバックゲインの更新方法は、限定されるものではなく、例えば、取得する荷重値が大きくなるに従いフィードバックゲインを大きくしてもかまわない。本実施形態の場合、フィードバック制御部１３３は、ＰＩＤによるフィードバック制御を行っており、ゲイン更新部１３４は、異なるフィードバックゲイン（ＰＩＤゲイン）を規定したマップを複数種類備えている。フィードバック制御部１３３は、取得した荷重値を複数の異なる閾値で判断し、所定の範囲に対応したマップをフィードバック制御部１３３に与えて電動アクチュエータ１１１の制御状態を更新している。具体的に例えば、ゲイン更新部１３４は、荷重値が第一閾値以上の場合に適用するフィードバックゲインのマップであるＰＩＤ＿１、荷重値が第一閾値未満、第二閾値以上の場合に適用するフィードバックゲインのマップであるＰＩＤ＿２、荷重値が第二閾値未満の場合に適用するフィードバックゲインのマップであるＰＩＤ＿３を備え、閾値判断によりフィードバック制御部１３３のフィードバックゲインを段階的に更新する。

【0034】

なお、ゲイン更新部１３４は、異なるフィードバックゲインをフィードバック制御部１３３に付与してフィードバックゲインを更新する際に、更新前のフィードバックゲインから更新後のフィードバックゲインに所定の時間内で徐々に変化するようにフィードバックゲインを変化させながら更新させる徐変部を備えている。ゲイン更新部１３４が徐変部を備えることにより複数のフィードバックゲインを示すマップによりフィードバック制御部１３３のフィードバックゲインを更新する際の急峻な制御状態の変化を緩和する事ができる。

【0035】

本実施の形態に係る操舵装置１００によれば、転舵輪２２０が接続される軸体であるフロント軸の荷重値に基づいてフィードバックゲインを更新するため、車両の空車や積車の違いによる車両総重量の変化が大きくなっても、自動操舵時における転舵角の追従性を安定させることが可能となる。これにより、軽トラック、商用バン、中大型トラック、バスなど比較的重量の変化が大きい車両において、積載量、搭乗者の数の増減による自動運転中の車両の走向挙動の変化幅が小さくなり、より安定した自動運転が可能となる。

【0036】

特に、電動アクチュエータ１１１が発生する力よりも大きな力を発生させる油圧アクチュエータ１４０により転舵をアシストする転舵機構１５０においては、電動アクチュエータ１１１に対するフィードバックゲインを荷重値に基づき変化させることで、目標舵角に対する実舵角の追従性を向上させ、自動運転における走行安定性を向上させることが可能となる。

【0037】

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。

【0038】

例えば、上記実施の形態では、アクチュエータとして電動アクチュエータ１１１と油圧アクチュエータ１４０とを備える転舵機構１５０を説明したが、操舵装置１００は、これに限定されるものではない。例えば図４に示すように、転舵機構１５０は、電動アクチュエータ１１１のみを備えるものでもかまわない。

【0039】

また、電動アクチュエータ１１１は、複数の転舵輪２２０を個別に転舵するものでもかまわない。この場合、転舵制御装置１３０は、それぞれの電動アクチュエータ１１１に対してフィードバック制御を行い、それぞれの転舵輪２２０に加わる荷重を示す複数の荷重値に基づきフィードバックゲインを更新してもかまわない。

【産業上の利用可能性】

【0040】

本発明は、車両、特に、重量の変化が大きい大型車両、農業用車両、建設用車両などに利用可能である。

【符号の説明】

【0041】

１００…操舵装置、１１１…電動アクチュエータ、１１２…減速機、１１３…回転角検出手段、１１９…操舵軸体、１３０…転舵制御装置、１３１…目標舵角取得部、１３２…荷重値取得部、１３３…フィードバック制御部、１３４…ゲイン更新部、１４０…油圧アクチュエータ、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、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、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、２２０…転舵輪、２５０…自動運転装置、２５１…カメラ、２５２…レーザーライダー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】