JP3569587B2

JP3569587B2 - 車両用操舵装置

Info

Publication number: JP3569587B2
Application number: JP02132296A
Authority: JP
Inventors: 真之助石田; 正雄西川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1996-02-07
Filing date: 1996-02-07
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2016-02-07
Also published as: JPH09207800A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、道路走行中に、たとえばカメラ等のセンサを用いて道路の車線と自車との関係を検知し、車線に沿って走行するための指令を車両の操向手段に与えることにより、車線に継続的に沿った車両の走行を可能ならしめるようにした車両用操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、先に上記概念に沿った技術を提案している（特開平５−１９７４２３号公報）が、これは専らシステムの出力によって車両を自動運転させるものであった。しかるに車両の走行中には、走行車線の変更、インターチェンジ等での車線乗換え、路面に落ちている障害物の回避、路肩で作業している作業車や工事標識による僅かばかりの車線内コース変更などの場面に遭遇することが多く、そのような車両の自動操舵には高度な知能を必要とし、現在の技術では完全な自動運転を行うことは無理がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、車線に沿った車両の自動運転の途中で車両の向きを変化させる場合には、自動運転中でもドライバーの意思による介入を行ない得るように構成することがより実用的であり、遠い将来に道路側の機構整備が進んで自動運転に適したものとなるまでの間は、人間が運転の主体者であり続け、それでいてシステム側から運転に適した情報をドライバーに分かりやすい形で提供するシステムの実現が望まれている。そのためには、車両が車線に沿って走行するために必要な情報を操舵力および操舵角度の形に変換してドライバーに伝え、ドライバーはこれらの情報を参酌しつつ自らの意思で車両を運転することができるようにして、優れたマンマシーンのインターフェイスシステムを構築することが必要である。特にシステムが車線追従を行なっているときにドライバーがシステムで定めた目標とは違う方向へ操舵しようとするとき、ステアリングハンドルに加えた操舵力に対して素直に車両が向きを変え、それでいて尚、元の車線追従コースに戻ろうとする操舵力をステアリングハンドルに伝えることで、ドライバーにシステムが依然として機能していることを悟らせるようにすることで、優れたマンマシーンインターフェイスを実現することが必要である。
【０００４】
ところで、操向手段を作動せしめる駆動手段のモータにシステムが指令する出力トルク指令値の算出にあたって、現在の操舵角度と、システムが実行したい目標操舵角との差分にゲインを乗じた量をモータトルクの指令値とするようにして、車線追従を実行するようにしたものを、本出願人は先に提案（特願平７−３１００７０号）している。この手法でも当該ゲインを比較的小さな量に選べばモータトルクも小さくなり、したがってドライバーがステアリングハンドルに加える操舵力が前記モータトルクを超える限り、ドライバーの意思によるコースの変更が可能であり、かつ元の車線に戻ろうとする操舵反力も依然として確保可能である。しかるに、この手法には次の（１）〜（３）のような欠点もある。
（１）ゲインを大きく取れないために、システムの応答性が低くなり、正確に目標コースを辿れない場合が生ずる。
【０００５】
（２）単一のゲインに依存した反力となるために、ドライバーの入力操舵角度に単純に比例した反力しか得られず、ドライバーにとって最適化された反力を作りづらい。
【０００６】
（３）駆動手段が備えるモータは通常、そのままトルクを操舵系に伝えるような使い方はせずに減速機を介して操舵系に接続されるが、減速機の種類によってはドライバー側からのトルクを拒絶する形式のものがある。拒絶しないまでも、モータに僅かな電流が流されて、システムの命令を実行しようとしているときには、ドライバー側から加えられる操舵トルクの方が負けて、結果的にドライバーの意思が伝わらないと言ったケースもある。例えば、本願明細書に事例として示すウォームギアはそのギア比を大きく設定した場合、上記のような欠点が現れる。かと言ってギア比を小さく設定すれば、今度は巨大なモータを用意しなければ車両を目標コースに沿って誘導できなくなる、と言ったジレンマがある。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、システムの応答性を下げることなくドライバーの意思によるコース変更を極めて自然な感覚で行えるようにし、どのような車両にも最適な操舵反力を作りだせるようにして設計自由度を高め、減速機の種類や減速比の如何を問わず操舵反力を自由に且つ正確に作りだせるようにして、優れたマンマシーンインターフェイスの車両用操舵装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、走行中の道路の前方車線状態を検知する第１検知手段と、自車の運動状態を検知する第２検知手段と、第１および第２検知手段の出力から道路車線に対する自車の位置関係を維持するために必要な操舵量を算出する操舵量算出手段と、車両の操向輪を作動させる操向手段と、操舵量算出手段の出力に応じて前記操向手段を作動させる駆動手段とを備える車両用操舵装置において、操向手段へのトルク伝達を可能として操向手段に連結されるステアリングハンドルに加えられたドライバーの操舵意思を検出する意思検知手段と、操舵量算出手段の出力に基づいて定まる駆動手段の作動量を前記意思検知手段の出力の方向および大きさに応じて変化させる舵角変更手段とを含むことを特徴とする。
【０００８】
また請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に加えて、前記意思検知手段が、前記ステアリングハンドルおよび前記操向手段間に配設された力センサであることを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の発明は、上記請求項１または２記載の発明の構成に加えて、前記舵角変更手段が、前記意思検知手段の出力の増加に対する駆動手段の作動量増加割合を少なくとも２段階に切替え可能に構成されることを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の発明は、上記請求項１または２記載の発明の構成に加えて、前記意思検知手段の出力の所定範囲では、当該意思検知手段の出力の変化にもかかわらず駆動手段の作動変化量が「０」となるように舵角変更手段が構成されることを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の発明は、上記請求項４記載の発明の構成に加えて、操舵量算出手段が、前記意思検知手段の出力の所定範囲の少なくとも一部で、道路車線に対する自車の位置関係を前記意思検知手段の出力に応じて変更すべく構成されることを特徴とする。
【００１２】
請求項６記載の発明は、走行中の道路の前方車線状態を検知する第１検知手段と、自車の運動状態を検知する第２検知手段と、第１および第２検知手段の出力から道路車線に対する自車の位置関係を維持するために必要な操舵量を算出する操舵量算出手段と、車両の操向輪を作動させる操向手段と、操舵量算出手段の出力に応じて前記操向手段を作動させる駆動手段とを備える車両用操舵装置において、操向手段へのトルク伝達を可能として操向手段に連結されるステアリングハンドルに加えられたドライバーの操舵意思を検出する意思検知手段と、操舵量算出手段の出力に基づいて定まる駆動手段の作動量を前記意思検知手段の出力に応じて変化させる舵角変更手段とを含み、該舵角変更手段は、前記意思検知手段の出力の大きさの絶対値が基準値未満のときは当該意思検知手段の出力の大きさに第１の割合で比例して駆動手段の作動量を変化せしめ、前記意思検知手段の出力の大きさの絶対値が上記基準値以上であるときは意思検知手段の出力の大きさに第１の割合よりも大きな第２の割合で比例して駆動手段の作動量を変化せしめるべく構成されることを特徴とする。
【００１３】
請求項７記載の発明は、上記請求項６記載の発明の構成に加えて、前記意思検知手段の出力が前記基準値に在るときに前記第１の割合に基づいて定まる駆動手段の作動量に対して、前記第２の割合に基づいて定まる駆動手段の作動量が大きいか若しくは実質的に等しくなるように、舵角変更手段が構成されることを特徴とする。
【００１４】
請求項８記載の発明は、上記請求項１ないし７のいずれかに記載の発明の構成に加えて、前記ステアリングハンドルおよび前記操向手段間に、ソフトウエアで構成されたばねが介装されることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
図１ないし図７は本発明の第１実施例を示すものであり、図１は車両用操舵装置の全体構成図、図２は制御ブロック図、図３は制御アルゴリズムの一部を示すフローチャート、図４は制御アルゴリズムの残部を示すフローチャート、図５は図３のフローチャートでの処理を説明するための図、図６は操舵力および介入操舵角の関係を示す図、図７は車線上での入力操舵角および操舵力の関係を示す図である。
【００１６】
先ず図１において、この車両用操舵装置は、ドライバーが回転操作するステアリングハンドル１と、該ステアリングハンドル１の操作に応じて回転作動するステアリングシャフト２と、操向輪としての前輪５を作動せしめる操向手段３と、該操向手段３を作動せしめる駆動手段４とを備える。
【００１７】
ステアリングシャフト２はステアリングハンドル１に一端が連結される伝動軸２ａの他端と、伝動軸２ｃの一端とがトーションバー２ｂを介して連結されて成るものであり、伝動軸２ｃの他端が操向手段３に連結される。また操向手段３は、前記伝動軸２ｃの他端に設けられたピニオン８と、該ピニオン８に噛合するラック９とでラックアンドピニオン型に構成されるものであり、ラック９の両端がタイロッド１０を介して左、右の前輪５にそれぞれ連結される。而してピニオン８の回転によりラック９が図１で上下に駆動され、そのラック９の作動に応じて両前輪５がその回転軸まわりに転向せしめられ、それにより所望の操舵を得ることができる。
【００１８】
駆動手段４は、ステアリングシャフト２における伝動軸２ｃの一端に連結されるものであり、モータ１１と、該モータ１１の出力を倍力してステアリングシャフト２の伝動軸２ｃに入力するためのウォームギヤ機構１２とを備え、該ウォームギヤ機構１２は、モータ１１の出力に連なるねじ歯車１３と、伝動軸部７に設けられたウォーム歯車１４とが相互に噛合されて成る。
【００１９】
駆動手段４におけるモータ１１の作動は、ＣＰＵ１５₁により制御されるものであり、該ＣＰＵ１５₁には、ステアリングシャフト２上にあって操舵トルクすなわちステアリングハンドル１に加えられたドライバーの操舵意思を検出する意思検知手段としての操舵トルクセンサ１６、モータ１１の回転角度を検出するエンコーダである操舵角度センサ１７、車両の速度を電気的に検出する車速センサ１８、車両の垂直軸まわりの回転速度を電気的に検出するヨーレイトセンサ１９、ならびに車両の前方道路状況を撮像するＣＣＤカメラ２０でそれぞれ得られた情報が入力される。また車線追従制御を実行するか否かを運転席で切替え操作可能なＳＡＳ（ＳｔｅｅｒＡｓｓｉｓｔＳｙｓｔｅｍ）スイッチ２１と、車線追従制御を実行中であることを表示する表示灯２２とがＣＰＵ１５₁にそれぞれ接続される。
【００２０】
ここで例示の駆動手段４について言及すると、ステアリングシャフト２上にウォームギヤ機構１２が設けられたアクチュエータは、主として軽量車両のパワーステアリングで公知公用に供されているものである。このような形式のパワーステアリングでは、操舵トルクの検出を行う操舵トルクセンサ１６がウォームギヤ機構１２の近くでかつステアリングハンドル１側に設けられており、この実施例では、該駆動手段４および操舵トルクセンサ１６の両方を車線追従制御のシステムと共用している。而して該操舵トルクセンサ１６の原理は、トーションバー２ｂが操舵力を受けて捩じれるのを、カム等の機構で軸方向の直線変位に変換し、これをポテンショメータ等で電気信号に変換して取出すようにしたもので、公知公用に供されている。
【００２１】
ところで、パワーステアリングではドライバーの操舵トルクの方向とシステムがモータ１１に出力するトルクの方向とが何時も一致しているので、ウォームギア機構１２を用いてもシステムとドライバーとが相争うことはない。これに対して車線追従の場合には車線の追従とドライバーが介入する操舵の方向とは一般には一致しないため、ウォームギア機構１２のギア比の設定を低くしないかぎり、公知の手法ではドライバーの意思通りの操舵は起こらない。
【００２２】
図２において、ＣＣＤカメラ２０で撮像された画像には、画像処理部２３において特徴点抽出およびハフ変換等の処理が施され、画像処理部２３での画像処理後の画像に基づいて走行可能領域認識部２４で走行可能領域が探索され、その結果に基づき目標経路設定部２５でこれから走行しようとしているコースの計画が策定されて、ＣＰＵ１５₁に入力される。すなわち、ＣＣＤカメラ２０、画像処理部２３、走行可能領域認識部２４および目標経路設定部２５は、特許請求の範囲で言う第１検知手段を構成するものであり、この第１検知手段で、走行中の道路の前方車線状態を検知した結果がＣＰＵ１５₁に入力される。
【００２３】
エンコーダ形式である操舵角度センサ１７の出力はＣＰＵ１５₁に直接入力され、操舵トルクセンサ１６の出力はアナログ信号であるのでＡ／Ｄ変換器２６を介してＣＰＵ１５₁に入力され、車速センサ１８およびヨーレイトセンサ１９の出力もＣＰＵ１５₁に直接入力される。而して操舵角度センサ１７、車速センサ１８およびヨーレイトセンサ１９は、特許請求の範囲で言う第２検知手段を構成するものであり、この第２検知手段で検知された自車の運動状態がＣＰＵ１５₁に入力される。
【００２４】
ＣＰＵ１５₁は、上述の第１および第２検知手段の検知結果から道路車線に対する自車の位置関係を維持するために必要な操舵量を算出する操舵量算出手段としての機能と、操舵トルクセンサ１６の出力に応じて前記操舵量算出手段での算出操舵量を変更する舵角変更手段としての機能とを果すものであり、ＣＰＵ１５₁でのモータ１１の作動量算出結果に対応したデジタル信号がＤ/ Ａ変換器２７でアナログ信号に変換され、さらにその微弱なアナログ信号がモータアンプ２８で電流値に変えられてモータ１１に与えられる。
【００２５】
なお、ＣＰＵ１５₁は、計算に必要な各種のゲインや定数等を記憶しておく記憶装置（ＲＯＭ）２９を内部に備えており、必要に応じてＲＯＭ２９の情報が読み出される。
【００２６】
而してＣＰＵ１５₁は、後述するアルゴリズムに従い、モータ１１を作動せしめることで車線に追従する操舵トルクを発生させてドライバーを誘導するとともに、ステアリングハンドル１に加えられるドライバーの操舵力に応じて前輪５を誘導コースから適正量、偏向させ、ドライバーはその偏向量に応じた反力を路面情報として受け取るようになる。
【００２７】
図３および図４はＣＰＵ１５₁で設定される制御アルゴリズムを示すものであり、ＳＡＳスイッチ２１が押されることによるシステムの起動後に、ステップＳ００１で各種のセンサ情報が読み込まれる。次のステップＳ００２からステップＳ００９までは、先の出願（特開平５−１９７４２３号公報）に詳述されたものと同じ処理が行われ、車線に追従するためのモータ１１の変位角度の目標値θd が算出される。その詳細は当該公報に詳述されているので、ここでは簡潔に述べるに留める。
【００２８】
すなわち図５で示すＸ−Ｙ固定座標系において、車両Ｗを原点とし、車両Ｗの前後方向をｘ軸、車両Ｗの車幅方向をｙ軸とするｘ−ｙ相対座標が設定され、ＣＣＤカメラ２０、画像処理部２３、操向可能領域認識部２４および目標経路設定部２５で構成された第１検知手段の検知結果に基づく目標経路Ｍがｘ−ｙ相対座標系上に設定されており、ステップＳ００２では車両Ｗの傾斜角度Θ_Wが求められ、ステップＳ００３では車両Ｗの現在位置のＸ−Ｙ固定座標系上の位置（Ｘ_W，Ｙ_W）が算出され、さらにステップＳ００４では目標経路Ｍ上の目標点Ｐが設定される。
【００２９】
次のステップＳ００５では、目標ヨーレイトγｍが算出されるのであるが、その算出にあたっては、先ず車両Ｗが目標点Ｐに到達するまでの仮想経路Ｓｐに沿う走行時に生じる目標点到達ヨーレイトγｐの算出、目標点Ｐにおける車両Ｗと目標経路Ｍとの角度偏差Δθｐの算出、ならびに該角度偏差Δθｐを解消するヨーレイトの補正分Δγｐの算出が順次行なわれ、さらに目標ヨーレイトγｍが次式に従って演算される。
γｍ＝γｐ−Ｋｍ・Δγｐ
上記式においてＫｍは補正係数であり、この補正係数Ｋｍは、ステップＳ００２〜Ｓ００５と並行したステップＳ００６，Ｓ００７の割込み処理によって得られる。すなわちステップＳ００６で走行可能経路Ａの曲率ρおよび道幅Ｄが求められ、ステップＳ００７で、曲率ρ、道幅Ｄおよび車速Ｖからファジー推論により補正係数Ｋｍが求められる。これは、走行経路の曲率などによっては目標経路Ｍに滑らかに収束するのが困難であることに鑑み、前記曲率ρや道幅Ｄ等の状態量に応じて補正係数Ｋｍを求めるようにしたものである。
【００３０】
引き続いてステップＳ００８では、ステップＳ００５で得られた目標ヨーレイトγｍを生ぜしめるのに必要な前輪の目標舵角δｍが求められ、さらにステップＳ００９で、その目標舵角δｍに前輪５の舵角を一致させるためのモータ１１の変位角度の目標値θｄが、操向手段３および駆動手段４のギアレシオに基づいて算出される。
【００３１】
ステップＳ００９に引き続く図４のステップＳ０１０では、ドライバーが加えた操舵力τs から前輪５を上記目標舵角δｍからどの程度偏向させるべきかが算出される。すなわち、ステップＳ０１０では、上記偏向量に操向手段３および駆動手段４のギアレシオを乗じた量である介入操舵角β_INが決定されるのであるが、操舵力τs の絶対値が在る基準値τｏよりも小さいうちは比較的小さなゲインＫ２を操舵力τs に乗じた量が介入操舵角β_INとされ、操舵力τs の絶対値が前記基準値以上の値であるときには、Ｋ２よりも大きなゲインＫ３を操舵力τs に乗じた量が介入操舵角β_INとして定められる。この際、ゲインの切り替わり点で段差が生じないように定数β_Oが選ばれる。これを、図６で説明すると、｜τｓ｜＜τｏであるときには、操舵力τｓおよび介入操舵角β_INの比例関係は直線Ｌ１で示すように比較的緩やかであり、｜τｓ｜≧τｏであるときには両者の比例関係が直線Ｌ２，Ｌ３で示すように比較的きつくなる。しかも操舵力τs が±τｏの点Ｑ１，Ｑ２でこれらの関係が滑らかに切り替わるように、定数β_Oが図示のように選ばれる。このような関係によると、操舵力τs が大きいときに直線の傾きが大きくなるので、僅かな操舵力τｓの増加によっても大きな偏向量が得られることになり、それだけ少ない操舵力増加で車両を車線から逸脱させることが可能になる。
【００３２】
次にステップＳ０１１では、新たな目標値である（θｄ＋β_IN）に現在の操舵角度をモータ軸上に換算した量θｔが一致するようにフィードバック制御を行なうための処理が行なわれる。すなわち公知のように、目標値（θｄ＋β_IN）とθｔとの差分に制御ゲインＫ４を乗じた量がモータ１１の出力トルクＴ１１として定められる。
【００３３】
続いてステップＳ０１２で、モータ１１の出力トルクＴ１１がモータアンプ２８に出力され、ＳＡＳスイッチ２１がオフされたどうかがステップＳ０１３で確認され、オフされていなければ最初のステップＳ００１に戻り、以下これが繰り返される。
【００３４】
次にこの第１実施例の作用について説明すると、ＣＣＤカメラ２０、画像処理部２３、操向可能領域認識部２４および目標経路設定部２５により検知される走行中の道路の前方車線状態と、操舵角度センサ１７、車速センサ１８およびヨーレイトセンサ１９により検知された自車の運動状態とに基づいて、道路車線に対する自車の位置関係を維持するために必要な操舵量を得るためのモータ１１の変位角度の目標値θｄが定められ、ステアリングハンドル１に加えられたドライバーの操舵意思を検出する操舵トルクセンサ１６の検出値すなわち操舵力τｓおよび操舵方向に基づいて定められる介入操舵角β_INにより前記目標値θｄが変更せしめられる。すなわち、ドライバーの操舵によってステアリングハンドル１に操舵力τｓが加えられると、その操舵量に応じて目標舵角δｍに介入操舵角β_INが付け加えられ、前輪５は車線追従コースから外れて転舵される。これを図７で説明するに、道路車線が図示のように彎曲している場合、ステアリングハンドル１に加えられる操舵力τｓが０のとき、すなわちドライバーの意思である入力舵角とシステムの決定した舵角とが一致しているときは、車両は図示の点線で示す目標コース上を走行する。しかしドライバーの入力舵角とシステムの決定舵角とが食い違っておれば、その差分は操舵力としてステアリングハンドル１に伝えられ、τs を生み出す。このτs に応じて車両は点線のコースから逸脱するが、その逸脱量はあくまで操舵力τs に因って決まる。つまり逸脱している間は常にドライバーは操舵力τs を加えつづけなければならないのである。このときドライバーはτs を路面反力として感じ取っている。通常の車両を運転する場合にステアリングハンドル１を直進位置から転舵しようとするとき、直進位置からの転舵量に応じた路面反力を受け取るが、このシステムでは「直進位置からの転舵量」の代わりに、「目標コースからの転舵量」に比例した路面反力を受け取ることになる。
【００３５】
しかもこの第１実施例では、その反力の決定過程で２つのゲインＫ２とＫ３とを用意したから、舵角の増大とともに路面反力は図７で示すように折れ曲がり、舵角が増えると路面反力の増加率が低く抑えられることになる。これはそれ程までに舵角を切るのは明らかに車線から逸脱したいとドライバーが思っているわけだから、反力の増大を抑えた方が車線変更がより容易に行えるからである。舵角が小さなうちは、僅かな舵角の増加に対しても敏感に反力が増大するので、安定した車線追従が行える。これは通常のパワーステアリング付きの車両が直進付近の特性を直進性を重視して決め、僅かな操舵量の増加に対しても反力を敏感に高めるが、操舵角度が大きくなるとパワーアシストを効かして、それ以後の反力の増加率を低下させるのと同じ効果を狙っている。
【００３６】
また駆動手段４におけるウォームギヤ機構１２の内部抵抗が大きな場合でも、先に加えられた操舵トルクτs に応じてモータ１１をβ_INだけ作動せしめるように構成したから、ドライバーの命令に逆らう余地は全くない。決定された目標舵角（θｄ＋β_IN) になるための制御ゲインＫ4 についても設定の制限がなくなり、充分に大きく設定して応答性を高めることが可能となる。
【００３７】
図８ないし図１２は本発明の第２実施例を示すものであり、図８は車両用操舵装置の全体構成図、図９は制御ブロック図、図１０は制御アルゴリズムの一部を示すフローチャート、図１１は制御アルゴリズムの残部を示すフローチャート、図１２は操舵力および介入操舵角の関係を示す図である。
【００３８】
図８において、ステアリングハンドル１とステアリングシャフト２とは、それら１，２の間に介在するウオームギヤ形式の操舵角補正装置３２を介して相対回転可能に結合される。而して該操舵角補正装置３２は、たとえばステアリングシャフト２側に連なるウォーム歯車３３と、該ウォーム歯車３３に噛合するねじ歯車３４と、たとえばステアリングハンドル１側に固定されて前記ねじ歯車３４に連なるモータ３５とで構成される。また操舵角補正装置３２には、ポテンショメータ形式の補正角度センサ３６が付設される。
【００３９】
この第２実施例は、操舵角補正装置３２がステアリングハンドル１の内部に収納されることが上述の第１実施例と基本的に異なる点であり、操舵角補正装置３２および補正角度センサ３６以外の部分は第１実施例と同様に構成される。
【００４０】
図９で示す制御ブロック図において、ＲＯＭ２９を内部に備えたＣＰＵ１５₂には、ＣＣＤカメラ２０、画像処理部２３、操向可能領域認識部２４および目標経路設定部２５から成る第１検知手段の出力、操舵角度センサ１７の出力、Ａ／Ｄ変換器２６を介してデジタル信号に変換された操舵トルクセンサ１６の出力、車速センサ１８の出力、ヨーレイトセンサ１９およびＳＡＳスイッチ２１の出力が、図２で示した第１実施例と同様に入力されるとともに、補正角度センサ３６の出力がＡ／Ｄ変換器３７でデジタル信号に変換されて入力される。またＣＰＵ１５₂の出力は、Ｄ/ Ａ変換器２７およびモータアンプ２８を介してモータ１１に与えられるとともに表示灯２２に与えられる。さらに操舵角補正装置３２におけるモータ３５には、モータアンプ３９から電流値が与えられるものであり、開モータアンプ３９には、ＣＰＵ１５₂から出力されるデジタル信号がＤ／Ａ変換器３８でアナログ信号に変換されて入力される。
【００４１】
ＣＰＵ１５₂は、後述するアルゴリズムに従い、モータ１１を駆動することで車線に追従する操舵トルクを発生させ、ドライバーを誘導するとともに、ステアリングハンドル１に加えられるドライバーの操舵力に応じて車線内部での目標コースを微小量変更し、かつドライバーの操舵角度とシステムの出力角度の間に微小な食い違いがあっても操舵角補正装置３２がその違いを吸収するので、ドライバーにとってみればステアリングハンドル１の細かい操作を一々しなくても、車線追従走行が可能となる。この場合にもドライバーが大きな操舵力を入力した場合には車線変更を意図しているものとして、車線追従機能に加えて前輪５を偏向させ、コースからの逸脱を容易ならしめており、ドライバーはその偏向量に応じた反力を路面情報として受け取ることができる。
【００４２】
次に図１０および図１１を参照して制御アルゴリズムについて説明するが、図および図１１におけるステップＳ１０１〜Ｓ１０４は第１実施例における図３および図４のステップＳ００１〜Ｓ００４と基本的に同一の処理を実行するものであり、またステップＳ１０７〜Ｓ１１１は、図３および図４のステップＳ００５〜Ｓ００９と基本的に同一の処理を実行するものであるので説明を省略し、以下、第１実施例とは異なるステップＳ１０５，Ｓ１０６，Ｓ１１２〜Ｓ１１７についてのみ説明する。
【００４３】
ステップＳ１０４で目標点Ｐが設定された後のステップＳ１０５では、コース変更量ΔＸが算出される。ここでΔＸは操舵力τｓに比例定数Ｋ１を乗じて求められるが、車線の幅以上に目標コースを変えることは意味がないので、車線の幅Ｌに対して３０％（左右を考えれば車線の中で６０％の変更になる。車両にも幅があることを思えば、この数字で実用上充分なコース変更となる）未満のときは、この算出結果がそのままΔＸとして定められ、計算結果（τｓ×Ｋ１）が３０％を超えたときには３０％で固定される。
【００４４】
次にステップＳ１０６では、操舵力τｓに応じて目標のコースを車線内部で少し変化させるために現在の自車位置を敢えて横方向に−ΔＸだけずれているものと見なす処理が行なわれる。こうすることによって、ＣＰＵ１５₂は以後の処理で目標点が横方向にΔＸだけずれたものと錯覚して、必要な操舵角度を算出することになり、その結果、目標コースをΔＸだけ横方向に移動させることができるようになる。
【００４５】
上述のステップＳ１０６に続くステップＳ１０７〜Ｓ１１１を経過した後のステップＳ１１２，Ｓ１１３では、ドライバーが加えた操舵力τs から前輪５を目標舵角δｍからどの程度偏向させるべきかが算出され、モータ１１の変位角度の目標値θｄに偏向量を加味してフィードバック制御を行うための処理が行われる。すなわち、ステップＳ１１２では、上記偏向量に操向手段３および駆動手段４のギアレシオを乗じた量である介入操舵角β_INが決定されるのであるが、操舵力τｓの絶対値が或る基準値τ１５よりも小さいうちはβ_IN＝０と設定され、操舵力τｓがτ１５以上であるときには（τｓ−τ１５）にゲインＫ５を乗じた量が介入操舵角β_INに設定され、また操舵力τｓが−τ１５以下であるときには（τｓ＋τ１５）にゲインＫ５を乗じた量が介入操舵角β_INに設定される。これを図１２で説明すると、｜τｓ｜がτ１５よりも小さいとき、τｓの増加にかかわらずβ_INは０であり、｜τｓ｜がτ１５以上になるときにはτｓに比例してβ_INも増加することになる。さらにステップＳ１１３では、（θｄ＋β_IN) を新たな目標値として、現在の操舵角度をモータ軸上に換算した量θt がこの目標値に一致するようにフィードバック制御が行われる。即ち目標値 (θｄ＋β_IN) とθt との差分に制御ゲインＫ６を乗じた量がモータ１１の出力トルクＴ１１として定められる。
【００４６】
次のステップＳ１１４，Ｓ１１５では、操舵角補正装置３２におけるモータ３５のモータトルクＴ３５が算出される。すなわちステップＳ１１４では、操舵力τｓに比例定数Ｋ７を乗じた量がモータ３５の目標角度αａｄとして算出されるが、もしαａｄの計算値がたとえば１５°以内であればそのまま計算値を採用し、計算値が１５°を超えていればαａｄが１５°に固定される。ここで、図８で示したように、モータ３５の出力はウォーム歯車３３およびねじ歯車３４から成るギヤ機構で倍力されているので、モータ３５を１５°で固定するトルクは小さくてもウォーム歯車３３の不可逆性の動力伝達特性により、ステアリングハンドル１に加えられる操舵力がこのモータ３５の出力を越えても角度は１５°に固定されることになる。続いてステップＳ１１５では、この目標角度αａｄに実際の角度が一致するように追従制御させるためのモータトルクＴ３５が公知のフィードバック制御の形で求められる。
【００４７】
これで２つのモータ１１，３５への出力値が決定したので、ステップＳ１１６では、モータアンプ２８，３９に指令値がそれぞれ与えられる。続いてステップ１１７ではＳＡＳスイッチ２１がオフされたどうかが確認され、オフされていなければ、始めのステップＳ１１１に戻って以下これが繰り返される。
【００４８】
このような第２実施例によるときは、ステアリングハンドル１に加えられた操舵力の絶対値が或る基準値τ１５よりも小さいときはこの操舵力の方向と大小に応じて車線内部で目標コースがずれ、車両はこのずれた目標コースに沿って走行するから、道路上に落ちていて踏みたくないものがある場合とか、路肩で工事車両が作業をしていてパイロンが並べられている場合には車線内部で片側に車両を寄せて進行できる。しかもドライバーは路面反力として自分の入力した操舵角度に比例した大きさの反力を感じ取るから、操舵角補正装置３２はあたかもステアリングハンドル１内部に仮想のばねがあるかのように振る舞う。
【００４９】
第１実施例との違いは、操舵力τｓがτ１５よりも小さい範囲ならば介入操舵角β_INが生じないために目標コースを維持するのであるが、その目標コースは加えられた操舵力τｓの方向と大きさに応じて適宜ずれ、結果的にはドライバーの意思によるコースの変更が実現される。しかし変更後のコースは車線と平行となっているので、車線から逸脱することはない。これに対して第１実施例によるときは、加えた操舵力τｓの方向と大きさに応じて介入操舵角β_INが生じるので、ほっておけば車線から逸脱してしまうことである。
【００５０】
τ１５以上の操舵力τｓが加えられると、今度はモータ１１の変位角度の目標値θｄに介入舵角β_INが加味され、車両は車線変更できるようになる。その場合のドライバーが感じる路面反力はゲインＫ５で決まる率で操舵量に比例することになる。
【００５１】
また第２実施例では、車線内目標コースの変更に使われる操舵力の上限値τｓと車線変更が起きはじめる操舵力τｓとを一致させ、共にτ１５としたので、操舵感覚が２つの領域の通過時に一層滑らかに繋がることとなる。しかし、この２つの操舵力を一致させることは必須条件ではない。ただ、車線変更が起きはじめる操舵力の方を前記の上限値より大きく設定すれば、両者の干渉を考えることなくシステムを構築できる利点が生ずることである。
【００５２】
第２実施例で例示の操舵角補正装置３２は、ステアリングシャフト２とステアリングハンドル１との間の相対回転運動を実現して、その相対回転量に比例したトルクを両者の間に発生させているに過ぎない。このような仮想ばねを間に設けた結果、モータ１１が操向手段３を駆動してもドライバーはいちいちその動きにあわせてステアリングハンドル１を操作する必要がなくなる。
【００５３】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行なうことが可能である。
【００５４】
たとえば、駆動手段４をステアリングシャフト２上に設けることは限定事項ではあり得ず、操向手段３のうち、例えばラック９上にこれと同心にモータを配置することが公知である。
【００５５】
また目標コースを変更する手法についてもここに例示した手法に限定する必要はなく、例えば目標点Ｐを操舵力τｓに応じて左右にずらすことでも同じ効果が得られる。
【００５６】
さらに操舵角補正装置３２としては、本出願人が別に出願しているように、ウォーム歯車３３が円形をしておらずに部分円の形をとるセクターギア方式も有効である。上記第２実施例で示したように、±１５°をソフト的に決定する以外に、機械的なストッパーを設けたりする手法も、前記出願には開示されている。これらの手法が本実施例にも適用できることはこの分野の技術者には明瞭だろう。さらにまた、ここに例示したウォーム歯車３３による減速機では、その不可逆性のためにモータ３５に流す電流を止めても操舵角補正装置３２は固定できるものであり、ウォーム歯車３３の変位を電気的に監視しておき、±１５°に到達したことを検出して、モータ３５への電流を停止しても、上記の機械的ストッパーを設けたのと同じ効果が得られ、そのように電流を止める手法によるときは、省エネの効果も出てくる。
【００５７】
また図６や図１２の特性はいずれも直線で表現され、一次式で算出できるものであるが、これに限定される必要はなく、２次式で表現してもよいし、式では表現できない曲線であっても本発明は適用可能である。その場合には特性線図をマップの形でＣＰＵに記憶させ、このマップを参照しつつβ_INを読みだせばよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の発明によれば、操向手段へのトルク伝達を可能として操向手段に連結されるステアリングハンドルに加えられたドライバーの操舵意思を意思検知手段で検知し、操舵量算出手段の出力に基づいて定まる駆動手段の作動量を前記意思検知手段の出力に応じて変化させるようにしたので、ゲインを大きく取ることができるようにしてシステムの応答性を高めるとともに、そのゲインを変化させることを可能としてドライバーにとって最適化された反力を得ることができ、しかも減速機の種類や減速比の如何を問わず操舵反力を自由に且つ正確に作りだせるようにして、優れたマンマシーンインターフェイスを実現することができる。また舵角変更手段が、駆動手段の作動量を、前記意思検知手段の出力の方向および大きさに応じて変化させるので、ドライバーの操舵意思に適確に対応して車両の走行コースを変更することができる。
【００５９】
また請求項２記載の発明によれば、意思検知手段が、ステアリングハンドルおよび前記操向手段間に配設された力センサであり、ドライバーの操舵意思を適確に検出することができる。
【００６０】
請求項３記載の発明によれば、舵角変更手段が、前記意志検知手段の出力の増加に対する駆動手段の作動量増加割合を少なくとも２段階に切替え可能に構成されるので、ドライバーの車線変更要求度に応じた反力をドライバーに与えることができる。
【００６１】
請求項４記載の発明によれば、意思検知手段の出力の所定範囲では、当該意思検知手段の出力の変化にもかかわらず駆動手段の作動変化量が「０」となるように舵角変更手段が構成されるので、ドライバーの操舵量が小さい範囲で舵角が直ちに変化するこを回避することができる。
【００６２】
請求項５記載の発明によれば、操舵量算出手段が、前記意思検知手段の出力の所定範囲の少なくとも一部で、道路車線に対する自車の位置関係を前記意思検知手段の出力に応じて変更すべく構成されるので、ドライバーによる操舵量がわずかな範囲で車線内での走行コース変更が可能となる。
【００６３】
請求項６記載の発明によれば、操向手段へのトルク伝達を可能として操向手段に連結されるステアリングハンドルに加えられたドライバーの操舵意思を意思検知手段で検知し、操舵量算出手段の出力に基づいて定まる駆動手段の作動量を前記意思検知手段の出力に応じて変化させるようにしたので、ゲインを大きく取ることができるようにしてシステムの応答性を高めるとともに、そのゲインを変化させることを可能としてドライバーにとって最適化された反力を得ることができ、しかも減速機の種類や減速比の如何を問わず操舵反力を自由に且つ正確に作りだせるようにして、優れたマンマシーンインターフェイスを実現することができる。また舵角変更手段が、前記意思検知手段の出力の大きさの絶対値が基準値未満のときは当該意思検知手段の出力の大きさに第１の割合で比例して駆動手段の作動量を変化せしめ、前記意思検知手段の出力の大きさの絶対値が上記基準値以上であるときは意思検知手段の出力の大きさに第１の割合よりも大きな第２の割合で比例して駆動手段の作動量を変化せしめるべく構成されるので、舵角が増大したときの路面反力の増加率を低く抑えて、車線変更をより容易に行なうことが可能となる。
【００６４】
請求項７記載の発明によれば、意思検知手段の出力が前記基準値に在るときに前記第１の割合に基づいて定まる駆動手段の作動量に対して、前記第２の割合に基づいて定まる駆動手段の作動量が大きいか若しくは実質的に等しくなるように、舵角変更手段が構成されるので、ドライバーに作用する路面反力が大きく変化することを避け、良好な操舵感覚を得ることができる。
【００６５】
さらに請求項８記載の発明によれば、ステアリングハンドルおよび前記操向手段間に、ソフトウエアで構成されたばねが介装されるので、駆動手段による作動せしめられる操向手段の作動量がわずかに変化する範囲では、ドライバーがステアリングハンドルを操作することが不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例における車両用操舵装置の全体構成図である。
【図２】制御ブロック図である。
【図３】制御アルゴリズムの一部を示すフローチャートである。
【図４】制御アルゴリズムの残部を示すフローチャートである。
【図５】図３のフローチャートでの処理を説明するための図である。
【図６】操舵力および介入操舵角の関係を示す図である。
【図７】車線上での入力操舵角および操舵力の関係を示す図である。
【図８】第２実施例における車両用操舵装置の全体構成図である。
【図９】制御ブロック図である。
【図１０】制御アルゴリズムの一部を示すフローチャートである。
【図１１】制御アルゴリズムの残部を示すフローチャートである。
【図１２】操舵力および介入操舵角の関係を示す図である。
【符号の説明】
１・・・ステアリングハンドル
３・・・操向手段
４・・・駆動手段
５・・・走行輪としての前輪
１５₁，１５₂・・・操舵量算出手段および舵角変更手段の機能を備えるＣＰＵ１６・・・意思検知手段としての操舵トルクセンサ
１７・・・第２検知手段の構成要素たる操舵角度センサ
１８・・・第２検知手段の構成要素たる車速センサ
１９・・・第２検知手段の構成要素たるヨーレイトセンサ
２０・・・第１検知手段の構成要素たるＣＣＤカメラ
２３・・・第１検知手段の構成要素たる画像処理部
２４・・・第１検知手段の構成要素たる走行可能領域認識部
２５・・・第１検知手段の構成要素たる目標経路設定部

Claims

走行中の道路の前方車線状態を検知する第１検知手段（２０，２３，２４，２５）と、自車の運動状態を検知する第２検知手段（１７，１８，１９）と、第１および第２検知手段（２０，２３〜２５；１７〜１９）の出力から道路車線に対する自車の位置関係を維持するために必要な操舵量を算出する操舵量算出手段（１５₁，１５₂）と、車両の操向輪（５）を作動させる操向手段（３）と、操舵量算出手段（１５₁，１５₂）の出力に応じて前記操向手段（３）を作動させる駆動手段（４）とを備える車両用操舵装置において、操向手段（３）へのトルク伝達を可能として操向手段（３）に連結されるステアリングハンドル（１）に加えられたドライバーの操舵意思を検出する意思検知手段（１６）と、操舵量算出手段（１５₁，１５₂）の出力に基づいて定まる駆動手段（４）の作動量を前記意思検知手段（１６）の出力の方向および大きさに応じて変化させる舵角変更手段（１５₁，１５₂）とを含むことを特徴とする車両用操舵装置。
前記意思検知手段（１６）が、前記ステアリングハンドル（１）および前記操向手段（３）間に配設された力センサであることを特徴とする請求項１記載の車両用操舵装置。
前記舵角変更手段（１５₁，１５₂）が、前記意思検知手段（１６）の出力の増加に対する駆動手段（４）の作動量増加割合を少なくとも２段階に切替え可能に構成されることを特徴とする請求項１または２記載の車両用操舵装置。
前記意思検知手段（１６）の出力の所定範囲では、当該意思検知手段（１６）の出力の変化にもかかわらず駆動手段（４）の作動変化量が「０」となるように舵角変更手段（１５ ₂ ）が構成されることを特徴とする請求項１または２記載の車両用操舵装置。
操舵量算出手段（１５ ₂ ）が、前記意思検知手段（１６）の出力の所定範囲の少なくとも一部で、道路車線に対する自車の位置関係を前記意思検知手段（１６）の出力に応じて変更すべく構成されることを特徴とする請求項４記載の車両用操舵装置。
走行中の道路の前方車線状態を検知する第１検知手段（２０，２３，２４，２５）と、自車の運動状態を検知する第２検知手段（１７，１８，１９）と、第１および第２検知手段（２０，２３〜２５；１７〜１９）の出力から道路車線に対する自車の位置関係を維持するために必要な操舵量を算出する操舵量算出手段（１５ ₁ ，１５ ₂ ）と、車両の操向輪（５）を作動させる操向手段（３）と、操舵量算出手段（１５ ₁ ，１５ ₂ ）の出力に応じて前記操向手段（３）を作動させる駆動手段（４）とを備える車両用操舵装置において、操向手段（３）へのトルク伝達を可能として操向手段（３）に連結されるステアリングハンドル（１）に加えられたドライバーの操舵意思を検出する意思検知手段（１６）と、操舵量算出手段（１５ ₁ ，１５ ₂ ）の出力に基づいて定まる駆動手段（４）の作動量を前記意思検知手段（１６）の出力に応じて変化させる舵角変更手段（１５ ₁ ，１５ ₂ ）とを含み、該舵角変更手段（１５ ₁ ，１５ ₂ ）は、前記意思検知手段（１６）の出力の大きさの絶対値が基準値未満のときは当該意思検知手段（１６）の出力の大きさに第１の割合で比例して駆動手段（４）の作動量を変化せしめ、前記意思検知手段（１６）の出力の大きさの絶対値が上記基準値以上であるときは意思検知手段（１６）の出力の大きさに第１の割合よりも大きな第２の割合で比例して駆動手段（４）の作動量を変化せしめるべく構成されることを特徴とする車両用操舵装置。
前記意思検知手段（１６）の出力が前記基準値に在るときに前記第１の割合に基づいて定まる駆動手段（４）の作動量に対して、前記第２の割合に基づいて定まる駆動手段（４）の作動量が大きいか若しくは実質的に等しくなるように、舵角変更手段（１５ ₁ ，１５ ₂ ）が構成されることを特徴とする請求項６記載の車両用操舵装置。
前記ステアリングハンドル（１）および前記操向手段（３）間に、ソフトウエアで構成されたばねが介装されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の車両用操舵装置。