車両用操作反力制御装置
【課題】運転者毎の個人差に合わせて車両の操作機構の反力を得ることにより運転負担をより軽減することが出来る車両用操作反力制御装置を提供する。
【解決手段】本発明は、車両用操作反力制御装置であって、運転者の人間系力学特性と操作機構の機械系力学特性との系全体の力学特性を設定する系全体力学特性設定手段と、系全体の力学特性に含まれる所定の評価指標の値を定める評価指標値設定手段と、運転者の人間系力学特性の値を定める人間系力学特性値設定手段と、運転者の力学特性値とを系全体の力学特性に入力すると共に、評価指標値設定手段により定められた評価指標値が得られるように系全体の力学特性における操作機構の機械系力学特性の値を定める機械系力学特性値設定手段と、この機械系力学特性値設定手段により定められた操作機構の機械系力学特性の値に基づいて操作機構の操作反力を制御する操作反力制御手段と、を有する。
【解決手段】本発明は、車両用操作反力制御装置であって、運転者の人間系力学特性と操作機構の機械系力学特性との系全体の力学特性を設定する系全体力学特性設定手段と、系全体の力学特性に含まれる所定の評価指標の値を定める評価指標値設定手段と、運転者の人間系力学特性の値を定める人間系力学特性値設定手段と、運転者の力学特性値とを系全体の力学特性に入力すると共に、評価指標値設定手段により定められた評価指標値が得られるように系全体の力学特性における操作機構の機械系力学特性の値を定める機械系力学特性値設定手段と、この機械系力学特性値設定手段により定められた操作機構の機械系力学特性の値に基づいて操作機構の操作反力を制御する操作反力制御手段と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用制御装置に係り、特に、車両の操作機構の操作反力を制御する車両用操作反力制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、主にステアリングホイール等の車両の操作機構について、車速や路面状況に応じて操舵反力を付与するもの（特許文献１）や、車速とタイヤ切れ角の目標値と実際値との偏差により目標操舵反力を定め、その目標操舵反力が得られるように操舵反力を付与するもの（特許文献２）が知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−０７８９４７号公報
【特許文献２】特開２００４−２１００２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の技術では、人間四肢の力学特性は考慮されていないため、種々の運転状況や個人差に適合した操作機器の機械的特性、例えばステアリングの操舵特性を得ることが出来ず、運転者に負担が生じたり、望ましい車両特性を得るには限界があった。
【０００５】
そこで、本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、運転者毎の個人差に合わせて車両の操作機構の反力を得ることにより運転負担をより軽減することが出来る車両用操作反力制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために本発明は、車両の操作機構の操作反力を制御する車両用操作反力制御装置であって、運転者の人間系力学特性と操作機構の機械系力学特性との系全体の力学特性を設定する系全体力学特性設定手段と、この系全体力学特性設定手段により設定された系全体の力学特性に含まれる所定の評価指標の値を定める評価指標値設定手段と、運転者の人間系力学特性の値を定める人間系力学特性値設定手段と、この人間系力学特性値設定手段により定められた運転者の力学特性値とを系全体の力学特性に入力すると共に、評価指標値設定手段により定められた評価指標値が得られるように系全体の力学特性における操作機構の機械系力学特性の値を定める機械系力学特性値設定手段と、この機械系力学特性値設定手段により定められた操作機構の機械系力学特性の値に基づいて操作機構の操作反力を制御する操作反力制御手段と、を有することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、人間系力学特性値設定手段により定められた運転者の力学特性値を系全体の力学特性に入力すると共に評価指標値設定手段により定められた評価指標値が得られるように、操作機構の機械系力学特性の値を定めるようにし、この設定された操作機構の機械系力学特性の値により、操作機構の操作反力を制御するようにしているので、運転者毎の個人差に合わせて車両の操作機構の反力を得ることにより運転負担をより軽減することが出来る。
【０００７】
また、本発明において、好ましくは、人間系力学特性は上記運転者の慣性（Ｍｈ）、粘性（Ｂｈ）、剛性（Ｋｈ）で表される機械インピーダンス特性であり、機械系力学特性は操作機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）で表される機械インピーダンス特性であり、評価指標は、系全体の力学特性を運転者の慣性（Ｍｈ）、粘性（Ｂｈ）、剛性（Ｋｈ）及び操作機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）をパラメータとする人間系と機械系の１自由度の並列モデルで表現して得られる減衰係数ζである。
このように構成された本発明においては、運転者の人間系力学特性と操作機構の機械系力学特性との系全体の力学特性を適切に設定することが出来る。
【０００８】
また、本発明において、好ましくは、減衰係数ζは、車両の車速に応じて異なる値に設定される。
このように構成された本発明においては、車両の走行状態に応じたより適切な減衰係数ζを得て、適切な操作機構の反力を得ることが出来る。
【０００９】
また、本発明において、好ましくは、系全体は、腕とステアリングの系、或いは、脚とペダルの系、或いは、腕とレバーの系である。
【００１０】
また、本発明において、好ましくは、減衰係数ζは、腕とステアリングの系、或いは、脚とペダルの系、或いは、腕とレバーの系のそれぞれに応じて異なる値に設定される。
このように構成された本発明においては、減衰係数ζを機械操作系に応じて設定するので、各機械系に応じたより適切な車両の操作機構の反力を得ることが出来る。
【００１１】
また、本発明において、好ましくは、系全体は、運転者の腕とステアリング機構の系であり、機械系力学特性値設定手段は、減衰係数ζが所定の値となるようなステアリング機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）の値を定め、操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力を電動パワーステアリングモータに発生させる。
このように構成された本発明においては、より適切なステアリングの操作反力を得て、運転者のステアリングの操作負担が適切なものになる。
【００１２】
また、本発明において、好ましくは、ステアリング機構はステアバイワイヤ機構である。
【００１３】
また、本発明において、好ましくは、系全体は、運転者の脚とブレーキペダル機構との系であり、機械系力学特性値設定手段は、減衰係数ζが所定の値となるようなブレーキペダル機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）を定め、操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力をブレーキペダル機構の反力発生モータに発生させる。
このように構成された本発明においては、より適切なブレーキペダルの操作反力を得て、運転者のブレーキペダルの操作負担が適切なものになる。
【００１４】
また、本発明において、好ましくは、系全体は、運転者の脚とアクセルペダル機構との系であり、機械系力学特性値設定手段は、減衰係数ζが所定の値となるようなアクセルペダル機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）を定め、操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力をアクセルペダル機構の反力発生モータに発生させる。
このように構成された本発明においては、より適切なアクセルペダルの操作反力を得て、運転者のアクセルペダルの操作負担が適切なものになる。
【００１５】
また、本発明において、好ましくは、系全体は、運転者の腕とシフトレバー機構との系であり、機械系力学特性値設定手段は、減衰係数ζが所定の値となるようなシフトレバー機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）を定め、操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力をシフトレバーの反力発生モータに発生させる。
このように構成された本発明においては、より適切なシフトレバーの操作反力を得て、運転者のシフトレバーの操作負担が適切なものになる。
【００１６】
また、本発明において、好ましくは、系全体は、運転者の腕とステアリング機構との系であり、人間系力学特性により定められる運転者の慣性（Ｍｈ）、粘性（Ｂｈ）、剛性（Ｋｈ）は、それぞれ、操舵角（θ）が大きい程慣性（Ｍｈ）が小さくなり、操舵トルク（τ）が大きい程粘性（Ｂｈ）が小さくなり、操舵トルク（τ）が大きい程剛性（Ｋｈ）が大きくなる。
このように構成された本発明においては、より人間の特性に適合した人間系の機械インピーダンスを定めることが出来、その結果、より適切な機械系の操作反力を得ることが出来る。
【００１７】
また、本発明において、好ましくは、評価指標設定手段により定められる減衰係数ζは、操舵開始時に小さい値に設定され、操舵が進むと大きい値に設定される。
このように構成された本発明においては、減衰係数ζが操舵開始時に小さい値に設定され、操舵が進むと大きい値に設定されたステアリング機構により、車両の応答性と安定性との両立を図ることが出来る。
【００１８】
また、本発明において、好ましくは、評価指標設定手段により定められる減衰係数ζは、操舵角（θ）の値に応じて変化するように設定される。
このように構成された本発明においては、減衰係数ζが操舵角（θ）の値に応じて変化するように設定されたステアリング機構により、車両の応答性と安定性との両立を図ることが出来る。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による車両用操作反力制御装置によれば、運転者毎の個人差に合わせて車両の操作機構の反力を得ることにより運転負担をより軽減することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
先ず、図１及び図２により、本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置において用いられる「人間−機械モデル（生体運動インピーダンス）」について説明する。図１は、本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置が適用されたステアリング装置及びそのステアリング装置を操舵する運転者を示す模式図であり、図２は、本発明の実施形態による人間−機械系のインピーダンスを１自由度の並列モデルで示す人間−機械系モデルである。
自動車においては、人間、特に運転者は、自動車に備わった機械システム、例えば、図１に示すようにステアリングを操作したり、その他各種ペダル、ギアシフトレバーなどを操作する。その際、人間は、そのような機械システムの操縦系と接触してその機械特性、例えば、ステアリングの重さやペダルの操作反力など、を知覚し、状況に応じて身体各部位の姿勢や筋を調節して自らの運転特性を巧みに変化させている。例えば、ステアリング操作では、運転者は車両速度や道路のカーブの曲率などに応じて腕全体をかたくしたり、やわらかくしたりする。本発明では、このような人間の運動特性を、慣性Ｍｈ、剛性Ｋｈ、粘性Ｂｈ、といった機械インピーダンスを用いて表現する。
【００２１】
一方、機械としての例えばステアリング装置に関しては、ステアリングの慣性Ｍｓ、剛性Ｋｓ、粘性Ｂｓにより、ステアリング回転軸周りの動特性を表現する。ステアリングホイールを握るドライバーは、ステアリングホイール側からみるとステアリングホイールの回転に対する抵抗とみなすことができる。本明細書ではこの抵抗のことを、ドライバーの「人間インピーダンス」とよぶ。人間インピーダンスはドライバーの操舵力に規定する値である。操舵力はドライバーによって異なるから、ドライバーによって人間インピーダンスは異なるといえる。従って、この人間インピーダンスを求めることで、ドライバーに応じた操舵反力を設定することが可能である。
【００２２】
ここで、ステアリング装置の回転軸周りの動特性は、以下の（１）式で表される。
【数１】
Ｍｓはステアリングの慣性、Ｂｓ（θ）、Ｋｓ（θ）は、操舵角度θを変数とする可変粘弾性、θｖは操舵力τに対するステアリングの理想角度、θｃは剛性に関する平衡点である。
【００２３】
一方、本発明では、人間−機械系（ステアリング系）を、図２のようにモデリングして表現している。上述したように、図２において、Ｍｈは人間側の慣性、Ｋｈは人間側の剛性、Ｂｈは人間側の粘性であり、Ｍｓは機械側の慣性、Ｋｓは機械側の剛性、Ｂｓは機械側の粘性である。ここで、人間と機械系の各インピーダンス特性は、操舵角度及び操舵力によって変化する。
【００２４】
人間側インピーダンス及び機械側インピーダンスの結合モデルを図２に示すように機械インピーダンスを用いて１自由度の並列モデルで表現すると、人間−ステアリング系全体の減衰係数ζは、以下の（２）式で表される。
【数２】
ζ（ゼータ）は、人間−機械系全体の減衰係数である。本発明においては、これら系全体の減衰係数ζにより、運転者のインピーダンス特性（Ｍｈ、Ｋｈ、Ｂｈ）に応じて、ステアリング操舵インピーダンス特性（Ｍｓ、Ｋｓ、Ｂｓ）、ひいてはステアリング操舵特性を調節するようにしている。
本発明では、人間系のインピーダンス及び機械系のインピーダンスが結合した図２に示すモデル及び（２）式を用いて、後述するようにステアリング特性、例えば操作反力を制御する。
【００２５】
次に、図３により、本発明の第１実施形態による車両用操作反力制御装置を説明する。第１実施形態は、操作反力制御装置がステアリング系の装置に適用されたものである。図３は、本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置が適用されたステアリング系の概略構成図である。
図３に示すように、ステアリング系は、運転者により操作されるステアリングホイール２と、操舵角センサ４と、操舵トルクセンサ６と、ステアリングホイール２に操舵反力を与える操舵反力発生モータ（電動パワーステアリングモータ）８とを備える。符号Ｈは、運転者の腕或いは手である。なお、電動パワーステアリングモータは、油圧によるパワーステアリングでも良い。
【００２６】
操舵反力発生モータ８は、コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）１０により制御される。このコントロールユニット１０は、操舵角センサ４及び操舵トルクセンサ６からの信号と、車速センサ１２からの信号が入力されるようになっている。コントロールユニット１０は、これらの信号を受けて、ステアリング系が所定の機械インピーダンスとなるように、操舵反力発生モータ８を制御する。コントロールユニット１０は、ステアリングモータ２０に接続され、ステアリングモータ２０は、ステアリングロッド２２を駆動する。駆動されたステアリングロッド２２によって、車輪２４が操舵される。この図３に示すように、本実施形態のステアリング系はステアバイワイヤ装置として構成されている。
【００２７】
次に、図４により、本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置の基本的な処理フローを説明する。図４は、本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置の基本的な処理内容を示すフローチャートである。Ｓは各ステップを示す。
車両用操作反力制御装置は、先ず、Ｓ１において、操舵角センサ４から操舵角θを、操舵トルクセンサ６から操舵トルクτを、車速センサ１２から車速Ｖを入力する。
次に、Ｓ２において、人間系のインピーダンスである、慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈを算出する。これは、後述するように、Ｓ１で入力された操舵角θ及び操舵力τに基づいて、所定のマップにより算出される。
【００２８】
次に、Ｓ３において、人間−ステアリング系全体の減衰係数ζを設定する。これは、後述するように、Ｓ１で入力された車速Ｖ、操舵角θ及び操舵角の変化量Δθに基づいて、所定のマップにより算出される。
次に、Ｓ４において、ステアリング系インピーダンスを算出する。これは、Ｓ２で算出した人間系のインピーダンス、Ｓ３で設定した減衰係数ζと、上述した（２）式により、ステアリング系インピーダンスである慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓを算出する。
次に、Ｓ５において、Ｓ４で算出された慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓが得られるように、操舵反力発生モータ８（図３参照）を制御する。
【００２９】
次に、図５乃至図８により、上述したＳ２における処理、即ち、人間系のインピーダンスである慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈの算出方法を説明する。図５は、人間系インピーダンスの算出処理を示すフローチャートであり、図６乃至図８は、それぞれ、慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈを求めるためのマップである。ここで、これらのマップは、操舵角と操舵トルクによって変化する人間の機械インピーダンス特性を、所望の範囲において近似表現する数式モデルを用いて描画したものである。数式モデルに含まれるパラメータは，所望の範囲において異なる実験条件下で測定した十分な数の離散データをフィッティングすることで得られる。
【００３０】
図５に示すように、先ず、Ｓ２１において、Ｓ１（図４参照）で入力された操舵角θ及び操舵トルクτを検出する。
次に、Ｓ２２において、Ｓ２１で検出された操舵角θ及び操舵トルクτと、図６乃至図８のマップとにより、走行中に逐次、人間系インピーダンスである慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈを算出する。
【００３１】
即ち、Ｓ２２においては、図６に示すマップにより、操舵角θ及び操舵トルクτに応じた慣性Ｍｈを算出する。この図６に示すマップでは、操舵角θが大きくなるにつれて慣性Ｍｈが小さくなるようなマップとなっている。
また、図７に示すマップにより、操舵角θ及び操舵トルクτに応じた粘性Ｂｈを算出する。この図７に示すマップでは、操舵トルクτが大きくなるにつれて粘性Ｂｈが小さくなるようなマップとなっている。
【００３２】
また、図８に示すマップにより、操舵角θ及び操舵トルクτに応じた剛性Ｋｈを算出する。この図８に示すマップでは、操舵トルクτが大きくなるにつれて剛性Ｋｈが大きくなるようなマップとなっている。
なお、このＳ２２においては、図６乃至図８のようなマップを運転者毎に設け、例えば、ＩＣカードによる個人認識或いは車室内カメラによる個人認識により、運転者に応じたマップを利用しても良い。
【００３３】
次に、図９及び図１０により、上述したＳ３における処理、即ち、人間−ステアリング系全体の減衰係数ζの方法を説明する。図９は、本発明の実施形態による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζの算出処理を示すフローチャートであり、図１０は、本発明の実施形態による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
図９に示すように、先ず、Ｓ３１において、Ｓ１（図４参照）で入力された操舵角θ及び車速Ｖを検出する。さらに、Ｓ３１においては、検出された操舵角θから所定時間毎の操舵角変化量Δθを算出する。
次に、Ｓ３２において、Ｓ３１で検出された操舵角θ、車速Ｖ及び操舵角変化量Δθと、図１０に示すマップとにより、減衰係数ζを設定する。
【００３４】
例えば、図１０に示すように、操舵角θ、車速Ｖ及び操舵角変化量Δθの各値により、高速走行時且つ直進時であるか、或いは、高速走行時且つ操舵時（レーンチェンジ時）であるか、或いは、低速走行時且つ直進時であるか、或いは、低速走行時且つ操舵時であるかを判別する。そして、判別された条件に応じて、ζを０．９、或いは、０．７、或いは、０．８、或いは、０．６と設定する。ζが０．９及び０．８と比較的大きい場合は、安定性を重視した場合であり、ζが０．７及び０．６と比較的小さい場合は、応答性を重視した場合である。
【００３５】
なお、図１１に図１０の第１の変形例を示す。図１１は、本発明の実施形態の第１変形例による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
図１１は、操舵角θ、車速Ｖ及び操舵角変化量Δθの各値により、高速走行時且つ直進時であるか等を判別する点では図１０と同様であるが、減衰係数ζの値が図１０とは一部が異なっている。
【００３６】
即ち、高速走行時且つ直進時であるか、或いは、低速走行時且つ直進時である、安定性を重視する場合は、図１０と同じであり、それぞれ、０．９、０．８である。一方、高速走行時且つ操舵時（レーンチェンジ時）には、操舵開始時にζを０．７として応答性を高め、その後操舵が進むとζを０．９として安定性を高めるようにしている。また、低速走行時且つ操舵時においても、操舵開始時にはζを０．６として応答性を高め、その後操舵が進むとζを０．７として安定性を高めるようにしている。
【００３７】
さらに、図１２に図１０の第２の変形例を示す。図１２は、本発明の実施形態の第２変形例による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
図１２は、操舵角θ、車速Ｖ及び操舵角変化量Δθの各値により、高速走行時且つ直進時であるか等を判別する点では図１０と同様であるが、減衰係数ζの値が図１０とは一部が異なっている。
【００３８】
即ち、高速走行時且つ直進時であるか、或いは、低速走行時且つ直進時である、安定性を重視する場合は、図１０と同じであり、それぞれ、０．９、０．８である。一方、高速走行時且つ操舵時（レーンチェンジ時）には、所定の係数ｋ１、ｋ０と、操舵角θにより、ζの値を操舵角に応じて変化するようにしている。ｋ１を正の値とすれば、操舵開始時には、ζがｋ０であり、操舵が進むにつれてζの値が大きくなり安定性が徐々に高まるようになっている。ｋ０の値を小さくすれば、操舵開始時の応答性を高め、ｋ０の値を大きくすれば、操舵開始時から安定性を高めることが出来る。
【００３９】
次に、図１３乃至図１６により、上述したＳ３における処理、即ち、人間−ステアリング系全体の減衰係数ζの方法を説明する。図１３は、本発明の実施形態によるステアリングの機械系インピーダンスの算出処理を示すフローチャートであり、図１４は、本発明の実施形態による操舵角θに対する人間−ステアリング系全体の減衰係数ζの設定例の一つであり、図１５は、本発明の実施形態による所定のζを定めるために用いる慣性Ｍｓ及び剛性Ｋｓを示す線図であり、図１６は、本発明の実施形態による所定のζを定めるための図１３及び図１５により得られた粘性Ｂｓを示す線図である。
【００４０】
図１３に示すＳ４１において、Ｓ２（図４参照）において算出した人間系の慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈに対して、Ｓ３（図４参照）で設定されたζとなるように、ステアリング系の慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓを算出する。
ここで、図１４は、操舵角θに対する人間−ステアリング系全体の減衰係数ζの設定例の一つである。図１０乃至図１２に示すマップの他、この図１４に示すように、ζが操舵角θに応じて曲線を描いて変化するようにしても良い。ここでは、この図１４に示すようなζが得られるようなステアリング系の慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓを算出する。
【００４１】
そして、Ｓ４１において、例えば、図１５に示すような慣性Ｍｓ及び剛性Ｋｓの関係を規定し、そして、図１４に示す減衰係数ζの値となるように図１４及び図１５と、上述した（２）式から図１６に示すような粘性Ｂｓを求める。慣性Ｍｓ及び剛性Ｋｓは、図１５から求める。本実施形態では、Ｓ４１において、慣性Ｍｓ及び剛性Ｋｓを予め所定の値に定めておいて、ステアリングの機械インピーダンスに比較的大きな影響を与える粘性Ｂｓを算出するようにしている。即ち、図１５に示すように、慣性Ｍｓを０．０３[Nms2/rad]と固定し、剛性Ｋｓを操舵角θに対して図中の実線で示すように変化させるものとする。これらの図１４及び図１５と上述した（２）式により、図１６に示すような粘性Ｂｓの線図が得られる。
【００４２】
従って、上述したＳ５において、操舵角θに応じて、図１５に示す慣性Ｍｓ、剛性Ｋｓと、図１６に示す粘性Ｂｓの値となるように操舵反力発生モータ８を制御すれば、図１４で示すζの値が得られ、さらに、Ｓ２（図４参照）で定めた人間系インピーダンスに応じた操舵反力をステアリング２に与えることが出来る。
【００４３】
次に、主に図１７乃至図１９により、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態は、操作反力制御装置がペダル系の装置に適用されたものである。図１７は、本発明の第２実施形態によるペダル装置及びそのペダル装置を操作する運転者の脚を示す模式図であり、図１８は、本発明の第２実施形態による人間−ブレーキペダル系全体の減衰係数ζを設定するためのマップであり、図１９は、本発明の第２実施形態による人間−アクセルペダル系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
先ず、図１７に示すように、第２実施形態は、ペダル操作系についての車両用操作反力制御装置となっている。ペダル操作系は、運転者の脚により操作されるペダル３２と、ペダルの操作量を計測するペダル操作量センサ３４と、ペダルの操作力を計測するペダル操作反力センサ３６と、ペダル３２に操作反力を与える操作反力発生モータ３８とを備える。符号ＨＬは、運転者の脚である。
【００４４】
操作反力発生モータ３８は、コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）４０により制御される。このコントロールユニット４０は、ペダル操作量センサ３４及びペダル操作反力センサ３６からの信号と、車速センサ４２及び前方状況監視カメラ４４の信号が入力されるようになっている。コントロールユニット４０は、これらの信号を受けて、ペダル系が所定の機械インピーダンスとなるように、操作反力発生モータ３８を制御する。
【００４５】
この第２実施形態では、人間−ペダル系全体のインピーダンスを求める。即ち、第１実施形態で述べた手法と同様に、この第２実施形態においても、図１７に示す人間（人間の脚）−機械（ペダル装置）系を、図２に示すようにモデリングして表現する。従って、（２）式を用いて、第１実施形態と同様に、系全体の減衰係数ζにより、運転者の脚のインピーダンス特性（Ｍｈ、Ｋｈ、Ｂｈ）に応じて、ペダル操作インピーダンス特性（Ｍｈ、Ｋｈ、Ｂｈ）、ひいてはペダル操作特性を調節するようにすることができる。
【００４６】
そして、第１実施形態と同様に、図４に示すフローチャートを用いる。先ず、Ｓ１において、ペダル操作量センサ３４から操作量Ｘｐを、ペダル操作反力センサ３６から操作力Ｆｐを、車速センサ４２から車速Ｖを入力する。次に、Ｓ２において、図５のフローと、図６乃至図８と同様のマップにより、人間系のインピーダンスである、慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈを算出する。具体的には、図６乃至図８が、ペダル操作量Ｘｐと、ペダル操作反力Ｆｐに対して、それぞれ、慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈが定められるようになっている。
【００４７】
次に、Ｓ３において、図９のフロー及び図１０と同様なマップ（本実施形態では図１８）により、人間−ペダル系全体の減衰係数ζを設定する。即ち、この第２実施形態では、ペダルがブレーキペダルの場合、図１８に示すように、前方状況監視カメラ４４により歩行者が検知され且つ車速Ｖが所定値（例えば４０ｋｍ／ｈ）以上の場合は衝突回避時（急ブレーキ時）であるものとして、ζを０．７として応答性を重視し、その他の場合は通常走行時であるものとして、ζを１．０として安定性を高めるようにしている。
【００４８】
或いは、ペダルがアクセルペダルの場合、図１９に示すように、前方状況監視カメラ４４により前方車両が検知され、車速Ｖが所定値（例えば４０ｋｍ／ｈ）以上であり且つペダル操作速度ΔＸｐが所定値（例えば３０ｍｍ）以上の場合は高速走行中の追越し加速時であるものとして、ζを０．７として応答性を重視し、車速Ｖが所定値（例えば４０ｋｍ／ｈ）以下の場合は通常走行時（街走行時）であるものとして、ζを１．０として安定性を高めるようにしている。
【００４９】
次に、Ｓ４において、ペダル系インピーダンスを算出する。これは、Ｓ２で算出した人間系のインピーダンス、Ｓ３で設定した減衰係数ζと、上述した（２）式により、ペダル系インピーダンスである慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓを算出する。このＳ４においても第１実施形態と同様に、図１４乃至図１６と同様な線図（この場合、横軸がペダル操作量Ｘｐとなる）から慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓを算出する。そして、Ｓ５において、Ｓ４で算出された慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓが得られるように、操作反力発生モータ３８（図１７参照）を制御する。
なお、ペダルは、ブレーキペダル、アクセルペダル及びクラッチペダルなどの種々のペダルに適用可能である。
【００５０】
次に、主に図２０及び図２１により、本発明の第３実施形態を説明する。第２実施形態は、操作反力制御装置がレバー系の装置に適用されたものである。図２０は、本発明の第３実施形態によるレバー装置及びそのレバー装置を操作する運転者の手を示す模式図であり、図２１は、本発明の第３実施形態による人間−レバー系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
図２０に示すように、第３実施形態は、レバー操作系についての車両用操作反力制御装置となっている。レバー操作系は、運転者の手により操作されるレバー５２と、レバーの操作量を計測するレバー操作量センサ５４と、レバーの操作力を計測するレバー操作反力センサ５６と、レバー５２に操作反力を与える操作反力発生モータ５８とを備える。符号Ｈは、運転者の手或いは腕である。
【００５１】
操作反力発生モータ５８は、コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）６０により制御される。このコントロールユニット６０は、レバー操作量センサ５４及びレバー操作反力センサ５６からの信号、車速センサ６２からの信号、及び、スロットルセンサ６４からの信号が入力されるようになっている。コントロールユニット６０は、これらの信号を受けて、レバー系が所定の機械インピーダンスとなるように、操作反力発生モータ５８を制御する。
【００５２】
この第３実施形態では、人間−レバー系全体のインピーダンスを求める。即ち、第１実施形態で述べた手法と同様に、この第３実施形態においても、図２０に示す人間−機械系（人間の脚−レバー装置系）を、図２に示すようにモデリングして表現する。従って、（２）式を用いて、第１実施形態と同様に、系全体の減衰係数ζにより、運転者の手のインピーダンス特性（Ｍｈ、Ｋｈ、Ｂｈ）に応じて、レバー操作インピーダンス特性（Ｍｓ、Ｋｓ、Ｂｓ）、ひいてはレバー操作特性を調節するようにすることができる。
【００５３】
そして、第１実施形態と同様に、図４に示すフローチャートを用いる。先ず、Ｓ１において、レバー操作量センサ５４から操作量ＸＬを、ペダル操作反力センサ５６から操作力ＦＬを、車速センサ６２から車速Ｖを入力する。次に、Ｓ２において、図５のフローと、図６乃至図８と同様のマップにより、人間系のインピーダンスである、慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈを算出する。具体的には、図６乃至図８が、レバー操作量ＸＬと、レバー操作反力ＦＬに対して、それぞれ、慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈが定められるようになっている。
【００５４】
次に、Ｓ３において、図９のフロー及び図１０と同様なマップにより、人間−レバー系全体の減衰係数ζを設定する。即ち、この第３実施形態では、レバーがシフトレバーの場合、図２１に示すように、スロットルバルブ開度ＴＶＯが所定値（例えば、１０°）以下の場合で且つ車速変化（加速或いは減速）が所定値（例えば、２０ｋｍ／ｈ）の場合は、下り坂走行時のエンジンブレーキ必要時であるものとして、ζを０．７として応答性を重視し、その他の場合は通常走行時（街走行時）であるものとして、ζを１．０として安定性を高めるようにしている。
【００５５】
次に、Ｓ４において、レバー系インピーダンスを算出する。これは、Ｓ２で算出した人間系のインピーダンス、Ｓ３で設定した減衰係数ζと、上述した（２）式により、レバー系インピーダンスである慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓを算出する。このＳ４においても第１実施形態と同様に、図１４乃至図１６と同様な線図（この場合、横軸がレバー操作量ＸＬとなる）から慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓを算出する。そして、Ｓ５において、Ｓ４で算出された慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓが得られるように、操作反力発生モータ５８（図２０参照）を制御する。
【００５６】
図２２乃至２５により、ζを変化させた場合の人間系或いは機械系の応答の変化の実験による検証結果について説明する。図２２は、実験装置の概略図であり、図２３は、実験により得られた減衰係数ζを変化させた場合のペダルを踏む足先の速度の変化を示す線図であり、図２４（ａ）は、実験により得られた操舵角に対する減衰係数ζの変化が異なる３つのパターンを示す線図であり、図２４（ｂ）は、実験により得られた図２４（ａ）のζの変化に対応して得られるステアリングトルクの変化を示す線図であり、図２５（ａ）〜（ｃ）は、実験により得られた減衰係数ζが異なる４つのパターンにおけるステアリング操舵角θ、操舵速度θ’及び機械系の粘性Ｂｓである。
【００５７】
先ず、図２２に示すように、実験では、被験者Ｈにステアリング１００を操作させ、操舵角センサ１０２により操舵角を、トルクセンサ１０４により操舵トルクを検出する。ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）１０８により、操舵反力発生モータ１０６が制御されると共にデータがサンプリングされる。ディスプレイ１１０には、操舵する目標位置を示すターゲット及び実際のステアリング角度が表示される。ＤＳＰ１０８には、トルク・エンコーダ１１２が接続され、トルク・エンコーダ１１２にはディスプレイ１１０が接続されている。
【００５８】
次に、このような実験装置により得られた実験結果について説明する。先ず、図２３に示すように、ζを１．０と０．７とで異なるものとした場合、粘性Ｂｈも変化する。そして、そのような粘性Ｂｈの変化に伴い、図２３に示すように、ζが大きい場合は、足先速度が低く、ζが小さい場合には、足先速度が大きくなることが分かる。
【００５９】
次に、図２４（ａ）に示すようにζを変化させた場合には、図２４（ｂ）に示すようにトルク変動が異なるものとなる。例えば、ζが大きく変化するパターン１の場合には、トルク変動が大きくなり、運転者にとって扱いにくいものとなる。一方、ζの変化が小さいパターン２の場合には、トルク変動が小さく且つ操舵角θに対する変化率（傾き）が一定で運転者にとって扱い易いものとなる。また、パターン３では、操舵角θに対する変化率（傾き）が一定ではなく運転者にとって扱いにくいものとなる。
【００６０】
次に、図２５（ａ）〜（ｃ）に示すように、ζの違いによって、操舵角θ、操舵速度θ’及び粘性Ｂｓの時間（横軸）に対する変化の様子が異なることが分かる。これらの線図によれば、ζが小さいときには、応答性が高くなり、ζが大きいときには安定性が高くなることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置が適用されたステアリング装置及びそのステアリング装置を操舵する運転者を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態による人間−機械系のインピーダンスを１自由度の並列モデルで示す人間−機械系モデルである。
【図３】本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置が適用されたステアリング系の概略構成図である。
【図４】本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置の基本的な処理内容を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態による運転者の人間系インピーダンスの算出処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態による操舵角及び操舵トルクと慣性Ｍｈとの関係を示すマップである。
【図７】本発明の実施形態による操舵角及び操舵トルクと粘性Ｂｈとの関係を示すマップである。
【図８】本発明の実施形態による操舵角及び操舵トルクと剛性Ｋｈとの関係を示すマップである。
【図９】本発明の実施形態による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζの算出処理を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
【図１１】本発明の実施形態の第１変形例による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
【図１２】本発明の実施形態の第２変形例による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
【図１３】本発明の実施形態によるステアリングの機械系インピーダンスの算出処理を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の実施形態による操舵角θに対する人間−ステアリング系全体の減衰係数ζの設定例の一つである。
【図１５】本発明の実施形態による所定のζを定めるために用いる慣性Ｍｓ及び剛性Ｋｓを示す線図である。
【図１６】本発明の実施形態による所定のζを定めるための図１３及び図１５により得られた粘性Ｂｓを示す線図である。
【図１７】本発明の第２実施形態によるペダル装置及びそのペダル装置を操作する運転者の脚を示す模式図である。
【図１８】本発明の第２実施形態による人間−ブレーキペダル系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
【図１９】本発明の第２実施形態による人間−アクセルペダル系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
【図２０】本発明の第３実施形態によるレバー装置及びそのレバー装置を操作する運転者の手を示す模式図である。
【図２１】本発明の第３実施形態による人間−レバー系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
【図２２】実験装置の概略図である。
【図２３】実験により得られた減衰係数ζを変化させた場合のペダルを踏む脚先の速度の変化を示す線図である。実験により得られた減衰係数ζが異なる４つのパターンにおけるステアリング操舵角θ、操舵速度θ’及び機械系の粘性Ｂｓである。
【図２４】実験により得られた操舵角に対する減衰係数ζの変化が異なる３つのパターンを示す線図（ａ）及び実験により得られた図２４（ａ）のζの変化に対応して得られるステアリングトルクの変化を示す線図である（ｂ）。
【図２５】実験により得られた減衰係数ζが異なる４つのパターンにおけるステアリング操舵角θ（ａ）、操舵速度θ’（ｂ）及び機械系の粘性Ｂｓ（ｃ）である。
【符号の説明】
【００６２】
２ ステアリングホイール
４ 操舵角センサ
６ 操舵トルクセンサ
８ 操舵反力発生モータ
１０ コントロールユニット
１２ 車速センサ
２０ ステアリングモータ
３２ ペダル
３４ ペダル操作量センサ
３６ ペダル操作反力センサ
３８ 操作反力発生モータ
４０ コントロールユニット
４２ 車速センサ
４４ 前方状況監視カメラ
５２ レバー
５４ レバー操作量センサ
５６ レバー操作反力センサ
５８ 操作反力発生モータ
６０ コントロールユニット
６２ 車速センサ
６４ スロットルセンサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用制御装置に係り、特に、車両の操作機構の操作反力を制御する車両用操作反力制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、主にステアリングホイール等の車両の操作機構について、車速や路面状況に応じて操舵反力を付与するもの（特許文献１）や、車速とタイヤ切れ角の目標値と実際値との偏差により目標操舵反力を定め、その目標操舵反力が得られるように操舵反力を付与するもの（特許文献２）が知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−０７８９４７号公報
【特許文献２】特開２００４−２１００２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の技術では、人間四肢の力学特性は考慮されていないため、種々の運転状況や個人差に適合した操作機器の機械的特性、例えばステアリングの操舵特性を得ることが出来ず、運転者に負担が生じたり、望ましい車両特性を得るには限界があった。
【０００５】
そこで、本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、運転者毎の個人差に合わせて車両の操作機構の反力を得ることにより運転負担をより軽減することが出来る車両用操作反力制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために本発明は、車両の操作機構の操作反力を制御する車両用操作反力制御装置であって、運転者の人間系力学特性と操作機構の機械系力学特性との系全体の力学特性を設定する系全体力学特性設定手段と、この系全体力学特性設定手段により設定された系全体の力学特性に含まれる所定の評価指標の値を定める評価指標値設定手段と、運転者の人間系力学特性の値を定める人間系力学特性値設定手段と、この人間系力学特性値設定手段により定められた運転者の力学特性値とを系全体の力学特性に入力すると共に、評価指標値設定手段により定められた評価指標値が得られるように系全体の力学特性における操作機構の機械系力学特性の値を定める機械系力学特性値設定手段と、この機械系力学特性値設定手段により定められた操作機構の機械系力学特性の値に基づいて操作機構の操作反力を制御する操作反力制御手段と、を有することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、人間系力学特性値設定手段により定められた運転者の力学特性値を系全体の力学特性に入力すると共に評価指標値設定手段により定められた評価指標値が得られるように、操作機構の機械系力学特性の値を定めるようにし、この設定された操作機構の機械系力学特性の値により、操作機構の操作反力を制御するようにしているので、運転者毎の個人差に合わせて車両の操作機構の反力を得ることにより運転負担をより軽減することが出来る。
【０００７】
また、本発明において、好ましくは、人間系力学特性は上記運転者の慣性（Ｍｈ）、粘性（Ｂｈ）、剛性（Ｋｈ）で表される機械インピーダンス特性であり、機械系力学特性は操作機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）で表される機械インピーダンス特性であり、評価指標は、系全体の力学特性を運転者の慣性（Ｍｈ）、粘性（Ｂｈ）、剛性（Ｋｈ）及び操作機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）をパラメータとする人間系と機械系の１自由度の並列モデルで表現して得られる減衰係数ζである。
このように構成された本発明においては、運転者の人間系力学特性と操作機構の機械系力学特性との系全体の力学特性を適切に設定することが出来る。
【０００８】
また、本発明において、好ましくは、減衰係数ζは、車両の車速に応じて異なる値に設定される。
このように構成された本発明においては、車両の走行状態に応じたより適切な減衰係数ζを得て、適切な操作機構の反力を得ることが出来る。
【０００９】
また、本発明において、好ましくは、系全体は、腕とステアリングの系、或いは、脚とペダルの系、或いは、腕とレバーの系である。
【００１０】
また、本発明において、好ましくは、減衰係数ζは、腕とステアリングの系、或いは、脚とペダルの系、或いは、腕とレバーの系のそれぞれに応じて異なる値に設定される。
このように構成された本発明においては、減衰係数ζを機械操作系に応じて設定するので、各機械系に応じたより適切な車両の操作機構の反力を得ることが出来る。
【００１１】
また、本発明において、好ましくは、系全体は、運転者の腕とステアリング機構の系であり、機械系力学特性値設定手段は、減衰係数ζが所定の値となるようなステアリング機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）の値を定め、操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力を電動パワーステアリングモータに発生させる。
このように構成された本発明においては、より適切なステアリングの操作反力を得て、運転者のステアリングの操作負担が適切なものになる。
【００１２】
また、本発明において、好ましくは、ステアリング機構はステアバイワイヤ機構である。
【００１３】
また、本発明において、好ましくは、系全体は、運転者の脚とブレーキペダル機構との系であり、機械系力学特性値設定手段は、減衰係数ζが所定の値となるようなブレーキペダル機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）を定め、操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力をブレーキペダル機構の反力発生モータに発生させる。
このように構成された本発明においては、より適切なブレーキペダルの操作反力を得て、運転者のブレーキペダルの操作負担が適切なものになる。
【００１４】
また、本発明において、好ましくは、系全体は、運転者の脚とアクセルペダル機構との系であり、機械系力学特性値設定手段は、減衰係数ζが所定の値となるようなアクセルペダル機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）を定め、操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力をアクセルペダル機構の反力発生モータに発生させる。
このように構成された本発明においては、より適切なアクセルペダルの操作反力を得て、運転者のアクセルペダルの操作負担が適切なものになる。
【００１５】
また、本発明において、好ましくは、系全体は、運転者の腕とシフトレバー機構との系であり、機械系力学特性値設定手段は、減衰係数ζが所定の値となるようなシフトレバー機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）を定め、操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力をシフトレバーの反力発生モータに発生させる。
このように構成された本発明においては、より適切なシフトレバーの操作反力を得て、運転者のシフトレバーの操作負担が適切なものになる。
【００１６】
また、本発明において、好ましくは、系全体は、運転者の腕とステアリング機構との系であり、人間系力学特性により定められる運転者の慣性（Ｍｈ）、粘性（Ｂｈ）、剛性（Ｋｈ）は、それぞれ、操舵角（θ）が大きい程慣性（Ｍｈ）が小さくなり、操舵トルク（τ）が大きい程粘性（Ｂｈ）が小さくなり、操舵トルク（τ）が大きい程剛性（Ｋｈ）が大きくなる。
このように構成された本発明においては、より人間の特性に適合した人間系の機械インピーダンスを定めることが出来、その結果、より適切な機械系の操作反力を得ることが出来る。
【００１７】
また、本発明において、好ましくは、評価指標設定手段により定められる減衰係数ζは、操舵開始時に小さい値に設定され、操舵が進むと大きい値に設定される。
このように構成された本発明においては、減衰係数ζが操舵開始時に小さい値に設定され、操舵が進むと大きい値に設定されたステアリング機構により、車両の応答性と安定性との両立を図ることが出来る。
【００１８】
また、本発明において、好ましくは、評価指標設定手段により定められる減衰係数ζは、操舵角（θ）の値に応じて変化するように設定される。
このように構成された本発明においては、減衰係数ζが操舵角（θ）の値に応じて変化するように設定されたステアリング機構により、車両の応答性と安定性との両立を図ることが出来る。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による車両用操作反力制御装置によれば、運転者毎の個人差に合わせて車両の操作機構の反力を得ることにより運転負担をより軽減することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
先ず、図１及び図２により、本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置において用いられる「人間−機械モデル（生体運動インピーダンス）」について説明する。図１は、本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置が適用されたステアリング装置及びそのステアリング装置を操舵する運転者を示す模式図であり、図２は、本発明の実施形態による人間−機械系のインピーダンスを１自由度の並列モデルで示す人間−機械系モデルである。
自動車においては、人間、特に運転者は、自動車に備わった機械システム、例えば、図１に示すようにステアリングを操作したり、その他各種ペダル、ギアシフトレバーなどを操作する。その際、人間は、そのような機械システムの操縦系と接触してその機械特性、例えば、ステアリングの重さやペダルの操作反力など、を知覚し、状況に応じて身体各部位の姿勢や筋を調節して自らの運転特性を巧みに変化させている。例えば、ステアリング操作では、運転者は車両速度や道路のカーブの曲率などに応じて腕全体をかたくしたり、やわらかくしたりする。本発明では、このような人間の運動特性を、慣性Ｍｈ、剛性Ｋｈ、粘性Ｂｈ、といった機械インピーダンスを用いて表現する。
【００２１】
一方、機械としての例えばステアリング装置に関しては、ステアリングの慣性Ｍｓ、剛性Ｋｓ、粘性Ｂｓにより、ステアリング回転軸周りの動特性を表現する。ステアリングホイールを握るドライバーは、ステアリングホイール側からみるとステアリングホイールの回転に対する抵抗とみなすことができる。本明細書ではこの抵抗のことを、ドライバーの「人間インピーダンス」とよぶ。人間インピーダンスはドライバーの操舵力に規定する値である。操舵力はドライバーによって異なるから、ドライバーによって人間インピーダンスは異なるといえる。従って、この人間インピーダンスを求めることで、ドライバーに応じた操舵反力を設定することが可能である。
【００２２】
ここで、ステアリング装置の回転軸周りの動特性は、以下の（１）式で表される。
【数１】
Ｍｓはステアリングの慣性、Ｂｓ（θ）、Ｋｓ（θ）は、操舵角度θを変数とする可変粘弾性、θｖは操舵力τに対するステアリングの理想角度、θｃは剛性に関する平衡点である。
【００２３】
一方、本発明では、人間−機械系（ステアリング系）を、図２のようにモデリングして表現している。上述したように、図２において、Ｍｈは人間側の慣性、Ｋｈは人間側の剛性、Ｂｈは人間側の粘性であり、Ｍｓは機械側の慣性、Ｋｓは機械側の剛性、Ｂｓは機械側の粘性である。ここで、人間と機械系の各インピーダンス特性は、操舵角度及び操舵力によって変化する。
【００２４】
人間側インピーダンス及び機械側インピーダンスの結合モデルを図２に示すように機械インピーダンスを用いて１自由度の並列モデルで表現すると、人間−ステアリング系全体の減衰係数ζは、以下の（２）式で表される。
【数２】
ζ（ゼータ）は、人間−機械系全体の減衰係数である。本発明においては、これら系全体の減衰係数ζにより、運転者のインピーダンス特性（Ｍｈ、Ｋｈ、Ｂｈ）に応じて、ステアリング操舵インピーダンス特性（Ｍｓ、Ｋｓ、Ｂｓ）、ひいてはステアリング操舵特性を調節するようにしている。
本発明では、人間系のインピーダンス及び機械系のインピーダンスが結合した図２に示すモデル及び（２）式を用いて、後述するようにステアリング特性、例えば操作反力を制御する。
【００２５】
次に、図３により、本発明の第１実施形態による車両用操作反力制御装置を説明する。第１実施形態は、操作反力制御装置がステアリング系の装置に適用されたものである。図３は、本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置が適用されたステアリング系の概略構成図である。
図３に示すように、ステアリング系は、運転者により操作されるステアリングホイール２と、操舵角センサ４と、操舵トルクセンサ６と、ステアリングホイール２に操舵反力を与える操舵反力発生モータ（電動パワーステアリングモータ）８とを備える。符号Ｈは、運転者の腕或いは手である。なお、電動パワーステアリングモータは、油圧によるパワーステアリングでも良い。
【００２６】
操舵反力発生モータ８は、コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）１０により制御される。このコントロールユニット１０は、操舵角センサ４及び操舵トルクセンサ６からの信号と、車速センサ１２からの信号が入力されるようになっている。コントロールユニット１０は、これらの信号を受けて、ステアリング系が所定の機械インピーダンスとなるように、操舵反力発生モータ８を制御する。コントロールユニット１０は、ステアリングモータ２０に接続され、ステアリングモータ２０は、ステアリングロッド２２を駆動する。駆動されたステアリングロッド２２によって、車輪２４が操舵される。この図３に示すように、本実施形態のステアリング系はステアバイワイヤ装置として構成されている。
【００２７】
次に、図４により、本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置の基本的な処理フローを説明する。図４は、本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置の基本的な処理内容を示すフローチャートである。Ｓは各ステップを示す。
車両用操作反力制御装置は、先ず、Ｓ１において、操舵角センサ４から操舵角θを、操舵トルクセンサ６から操舵トルクτを、車速センサ１２から車速Ｖを入力する。
次に、Ｓ２において、人間系のインピーダンスである、慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈを算出する。これは、後述するように、Ｓ１で入力された操舵角θ及び操舵力τに基づいて、所定のマップにより算出される。
【００２８】
次に、Ｓ３において、人間−ステアリング系全体の減衰係数ζを設定する。これは、後述するように、Ｓ１で入力された車速Ｖ、操舵角θ及び操舵角の変化量Δθに基づいて、所定のマップにより算出される。
次に、Ｓ４において、ステアリング系インピーダンスを算出する。これは、Ｓ２で算出した人間系のインピーダンス、Ｓ３で設定した減衰係数ζと、上述した（２）式により、ステアリング系インピーダンスである慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓを算出する。
次に、Ｓ５において、Ｓ４で算出された慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓが得られるように、操舵反力発生モータ８（図３参照）を制御する。
【００２９】
次に、図５乃至図８により、上述したＳ２における処理、即ち、人間系のインピーダンスである慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈの算出方法を説明する。図５は、人間系インピーダンスの算出処理を示すフローチャートであり、図６乃至図８は、それぞれ、慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈを求めるためのマップである。ここで、これらのマップは、操舵角と操舵トルクによって変化する人間の機械インピーダンス特性を、所望の範囲において近似表現する数式モデルを用いて描画したものである。数式モデルに含まれるパラメータは，所望の範囲において異なる実験条件下で測定した十分な数の離散データをフィッティングすることで得られる。
【００３０】
図５に示すように、先ず、Ｓ２１において、Ｓ１（図４参照）で入力された操舵角θ及び操舵トルクτを検出する。
次に、Ｓ２２において、Ｓ２１で検出された操舵角θ及び操舵トルクτと、図６乃至図８のマップとにより、走行中に逐次、人間系インピーダンスである慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈを算出する。
【００３１】
即ち、Ｓ２２においては、図６に示すマップにより、操舵角θ及び操舵トルクτに応じた慣性Ｍｈを算出する。この図６に示すマップでは、操舵角θが大きくなるにつれて慣性Ｍｈが小さくなるようなマップとなっている。
また、図７に示すマップにより、操舵角θ及び操舵トルクτに応じた粘性Ｂｈを算出する。この図７に示すマップでは、操舵トルクτが大きくなるにつれて粘性Ｂｈが小さくなるようなマップとなっている。
【００３２】
また、図８に示すマップにより、操舵角θ及び操舵トルクτに応じた剛性Ｋｈを算出する。この図８に示すマップでは、操舵トルクτが大きくなるにつれて剛性Ｋｈが大きくなるようなマップとなっている。
なお、このＳ２２においては、図６乃至図８のようなマップを運転者毎に設け、例えば、ＩＣカードによる個人認識或いは車室内カメラによる個人認識により、運転者に応じたマップを利用しても良い。
【００３３】
次に、図９及び図１０により、上述したＳ３における処理、即ち、人間−ステアリング系全体の減衰係数ζの方法を説明する。図９は、本発明の実施形態による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζの算出処理を示すフローチャートであり、図１０は、本発明の実施形態による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
図９に示すように、先ず、Ｓ３１において、Ｓ１（図４参照）で入力された操舵角θ及び車速Ｖを検出する。さらに、Ｓ３１においては、検出された操舵角θから所定時間毎の操舵角変化量Δθを算出する。
次に、Ｓ３２において、Ｓ３１で検出された操舵角θ、車速Ｖ及び操舵角変化量Δθと、図１０に示すマップとにより、減衰係数ζを設定する。
【００３４】
例えば、図１０に示すように、操舵角θ、車速Ｖ及び操舵角変化量Δθの各値により、高速走行時且つ直進時であるか、或いは、高速走行時且つ操舵時（レーンチェンジ時）であるか、或いは、低速走行時且つ直進時であるか、或いは、低速走行時且つ操舵時であるかを判別する。そして、判別された条件に応じて、ζを０．９、或いは、０．７、或いは、０．８、或いは、０．６と設定する。ζが０．９及び０．８と比較的大きい場合は、安定性を重視した場合であり、ζが０．７及び０．６と比較的小さい場合は、応答性を重視した場合である。
【００３５】
なお、図１１に図１０の第１の変形例を示す。図１１は、本発明の実施形態の第１変形例による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
図１１は、操舵角θ、車速Ｖ及び操舵角変化量Δθの各値により、高速走行時且つ直進時であるか等を判別する点では図１０と同様であるが、減衰係数ζの値が図１０とは一部が異なっている。
【００３６】
即ち、高速走行時且つ直進時であるか、或いは、低速走行時且つ直進時である、安定性を重視する場合は、図１０と同じであり、それぞれ、０．９、０．８である。一方、高速走行時且つ操舵時（レーンチェンジ時）には、操舵開始時にζを０．７として応答性を高め、その後操舵が進むとζを０．９として安定性を高めるようにしている。また、低速走行時且つ操舵時においても、操舵開始時にはζを０．６として応答性を高め、その後操舵が進むとζを０．７として安定性を高めるようにしている。
【００３７】
さらに、図１２に図１０の第２の変形例を示す。図１２は、本発明の実施形態の第２変形例による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
図１２は、操舵角θ、車速Ｖ及び操舵角変化量Δθの各値により、高速走行時且つ直進時であるか等を判別する点では図１０と同様であるが、減衰係数ζの値が図１０とは一部が異なっている。
【００３８】
即ち、高速走行時且つ直進時であるか、或いは、低速走行時且つ直進時である、安定性を重視する場合は、図１０と同じであり、それぞれ、０．９、０．８である。一方、高速走行時且つ操舵時（レーンチェンジ時）には、所定の係数ｋ１、ｋ０と、操舵角θにより、ζの値を操舵角に応じて変化するようにしている。ｋ１を正の値とすれば、操舵開始時には、ζがｋ０であり、操舵が進むにつれてζの値が大きくなり安定性が徐々に高まるようになっている。ｋ０の値を小さくすれば、操舵開始時の応答性を高め、ｋ０の値を大きくすれば、操舵開始時から安定性を高めることが出来る。
【００３９】
次に、図１３乃至図１６により、上述したＳ３における処理、即ち、人間−ステアリング系全体の減衰係数ζの方法を説明する。図１３は、本発明の実施形態によるステアリングの機械系インピーダンスの算出処理を示すフローチャートであり、図１４は、本発明の実施形態による操舵角θに対する人間−ステアリング系全体の減衰係数ζの設定例の一つであり、図１５は、本発明の実施形態による所定のζを定めるために用いる慣性Ｍｓ及び剛性Ｋｓを示す線図であり、図１６は、本発明の実施形態による所定のζを定めるための図１３及び図１５により得られた粘性Ｂｓを示す線図である。
【００４０】
図１３に示すＳ４１において、Ｓ２（図４参照）において算出した人間系の慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈに対して、Ｓ３（図４参照）で設定されたζとなるように、ステアリング系の慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓを算出する。
ここで、図１４は、操舵角θに対する人間−ステアリング系全体の減衰係数ζの設定例の一つである。図１０乃至図１２に示すマップの他、この図１４に示すように、ζが操舵角θに応じて曲線を描いて変化するようにしても良い。ここでは、この図１４に示すようなζが得られるようなステアリング系の慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓを算出する。
【００４１】
そして、Ｓ４１において、例えば、図１５に示すような慣性Ｍｓ及び剛性Ｋｓの関係を規定し、そして、図１４に示す減衰係数ζの値となるように図１４及び図１５と、上述した（２）式から図１６に示すような粘性Ｂｓを求める。慣性Ｍｓ及び剛性Ｋｓは、図１５から求める。本実施形態では、Ｓ４１において、慣性Ｍｓ及び剛性Ｋｓを予め所定の値に定めておいて、ステアリングの機械インピーダンスに比較的大きな影響を与える粘性Ｂｓを算出するようにしている。即ち、図１５に示すように、慣性Ｍｓを０．０３[Nms2/rad]と固定し、剛性Ｋｓを操舵角θに対して図中の実線で示すように変化させるものとする。これらの図１４及び図１５と上述した（２）式により、図１６に示すような粘性Ｂｓの線図が得られる。
【００４２】
従って、上述したＳ５において、操舵角θに応じて、図１５に示す慣性Ｍｓ、剛性Ｋｓと、図１６に示す粘性Ｂｓの値となるように操舵反力発生モータ８を制御すれば、図１４で示すζの値が得られ、さらに、Ｓ２（図４参照）で定めた人間系インピーダンスに応じた操舵反力をステアリング２に与えることが出来る。
【００４３】
次に、主に図１７乃至図１９により、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態は、操作反力制御装置がペダル系の装置に適用されたものである。図１７は、本発明の第２実施形態によるペダル装置及びそのペダル装置を操作する運転者の脚を示す模式図であり、図１８は、本発明の第２実施形態による人間−ブレーキペダル系全体の減衰係数ζを設定するためのマップであり、図１９は、本発明の第２実施形態による人間−アクセルペダル系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
先ず、図１７に示すように、第２実施形態は、ペダル操作系についての車両用操作反力制御装置となっている。ペダル操作系は、運転者の脚により操作されるペダル３２と、ペダルの操作量を計測するペダル操作量センサ３４と、ペダルの操作力を計測するペダル操作反力センサ３６と、ペダル３２に操作反力を与える操作反力発生モータ３８とを備える。符号ＨＬは、運転者の脚である。
【００４４】
操作反力発生モータ３８は、コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）４０により制御される。このコントロールユニット４０は、ペダル操作量センサ３４及びペダル操作反力センサ３６からの信号と、車速センサ４２及び前方状況監視カメラ４４の信号が入力されるようになっている。コントロールユニット４０は、これらの信号を受けて、ペダル系が所定の機械インピーダンスとなるように、操作反力発生モータ３８を制御する。
【００４５】
この第２実施形態では、人間−ペダル系全体のインピーダンスを求める。即ち、第１実施形態で述べた手法と同様に、この第２実施形態においても、図１７に示す人間（人間の脚）−機械（ペダル装置）系を、図２に示すようにモデリングして表現する。従って、（２）式を用いて、第１実施形態と同様に、系全体の減衰係数ζにより、運転者の脚のインピーダンス特性（Ｍｈ、Ｋｈ、Ｂｈ）に応じて、ペダル操作インピーダンス特性（Ｍｈ、Ｋｈ、Ｂｈ）、ひいてはペダル操作特性を調節するようにすることができる。
【００４６】
そして、第１実施形態と同様に、図４に示すフローチャートを用いる。先ず、Ｓ１において、ペダル操作量センサ３４から操作量Ｘｐを、ペダル操作反力センサ３６から操作力Ｆｐを、車速センサ４２から車速Ｖを入力する。次に、Ｓ２において、図５のフローと、図６乃至図８と同様のマップにより、人間系のインピーダンスである、慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈを算出する。具体的には、図６乃至図８が、ペダル操作量Ｘｐと、ペダル操作反力Ｆｐに対して、それぞれ、慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈが定められるようになっている。
【００４７】
次に、Ｓ３において、図９のフロー及び図１０と同様なマップ（本実施形態では図１８）により、人間−ペダル系全体の減衰係数ζを設定する。即ち、この第２実施形態では、ペダルがブレーキペダルの場合、図１８に示すように、前方状況監視カメラ４４により歩行者が検知され且つ車速Ｖが所定値（例えば４０ｋｍ／ｈ）以上の場合は衝突回避時（急ブレーキ時）であるものとして、ζを０．７として応答性を重視し、その他の場合は通常走行時であるものとして、ζを１．０として安定性を高めるようにしている。
【００４８】
或いは、ペダルがアクセルペダルの場合、図１９に示すように、前方状況監視カメラ４４により前方車両が検知され、車速Ｖが所定値（例えば４０ｋｍ／ｈ）以上であり且つペダル操作速度ΔＸｐが所定値（例えば３０ｍｍ）以上の場合は高速走行中の追越し加速時であるものとして、ζを０．７として応答性を重視し、車速Ｖが所定値（例えば４０ｋｍ／ｈ）以下の場合は通常走行時（街走行時）であるものとして、ζを１．０として安定性を高めるようにしている。
【００４９】
次に、Ｓ４において、ペダル系インピーダンスを算出する。これは、Ｓ２で算出した人間系のインピーダンス、Ｓ３で設定した減衰係数ζと、上述した（２）式により、ペダル系インピーダンスである慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓを算出する。このＳ４においても第１実施形態と同様に、図１４乃至図１６と同様な線図（この場合、横軸がペダル操作量Ｘｐとなる）から慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓを算出する。そして、Ｓ５において、Ｓ４で算出された慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓが得られるように、操作反力発生モータ３８（図１７参照）を制御する。
なお、ペダルは、ブレーキペダル、アクセルペダル及びクラッチペダルなどの種々のペダルに適用可能である。
【００５０】
次に、主に図２０及び図２１により、本発明の第３実施形態を説明する。第２実施形態は、操作反力制御装置がレバー系の装置に適用されたものである。図２０は、本発明の第３実施形態によるレバー装置及びそのレバー装置を操作する運転者の手を示す模式図であり、図２１は、本発明の第３実施形態による人間−レバー系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
図２０に示すように、第３実施形態は、レバー操作系についての車両用操作反力制御装置となっている。レバー操作系は、運転者の手により操作されるレバー５２と、レバーの操作量を計測するレバー操作量センサ５４と、レバーの操作力を計測するレバー操作反力センサ５６と、レバー５２に操作反力を与える操作反力発生モータ５８とを備える。符号Ｈは、運転者の手或いは腕である。
【００５１】
操作反力発生モータ５８は、コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）６０により制御される。このコントロールユニット６０は、レバー操作量センサ５４及びレバー操作反力センサ５６からの信号、車速センサ６２からの信号、及び、スロットルセンサ６４からの信号が入力されるようになっている。コントロールユニット６０は、これらの信号を受けて、レバー系が所定の機械インピーダンスとなるように、操作反力発生モータ５８を制御する。
【００５２】
この第３実施形態では、人間−レバー系全体のインピーダンスを求める。即ち、第１実施形態で述べた手法と同様に、この第３実施形態においても、図２０に示す人間−機械系（人間の脚−レバー装置系）を、図２に示すようにモデリングして表現する。従って、（２）式を用いて、第１実施形態と同様に、系全体の減衰係数ζにより、運転者の手のインピーダンス特性（Ｍｈ、Ｋｈ、Ｂｈ）に応じて、レバー操作インピーダンス特性（Ｍｓ、Ｋｓ、Ｂｓ）、ひいてはレバー操作特性を調節するようにすることができる。
【００５３】
そして、第１実施形態と同様に、図４に示すフローチャートを用いる。先ず、Ｓ１において、レバー操作量センサ５４から操作量ＸＬを、ペダル操作反力センサ５６から操作力ＦＬを、車速センサ６２から車速Ｖを入力する。次に、Ｓ２において、図５のフローと、図６乃至図８と同様のマップにより、人間系のインピーダンスである、慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈを算出する。具体的には、図６乃至図８が、レバー操作量ＸＬと、レバー操作反力ＦＬに対して、それぞれ、慣性Ｍｈ、粘性Ｂｈ、剛性Ｋｈが定められるようになっている。
【００５４】
次に、Ｓ３において、図９のフロー及び図１０と同様なマップにより、人間−レバー系全体の減衰係数ζを設定する。即ち、この第３実施形態では、レバーがシフトレバーの場合、図２１に示すように、スロットルバルブ開度ＴＶＯが所定値（例えば、１０°）以下の場合で且つ車速変化（加速或いは減速）が所定値（例えば、２０ｋｍ／ｈ）の場合は、下り坂走行時のエンジンブレーキ必要時であるものとして、ζを０．７として応答性を重視し、その他の場合は通常走行時（街走行時）であるものとして、ζを１．０として安定性を高めるようにしている。
【００５５】
次に、Ｓ４において、レバー系インピーダンスを算出する。これは、Ｓ２で算出した人間系のインピーダンス、Ｓ３で設定した減衰係数ζと、上述した（２）式により、レバー系インピーダンスである慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓを算出する。このＳ４においても第１実施形態と同様に、図１４乃至図１６と同様な線図（この場合、横軸がレバー操作量ＸＬとなる）から慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓを算出する。そして、Ｓ５において、Ｓ４で算出された慣性Ｍｓ、粘性Ｂｓ、剛性Ｋｓが得られるように、操作反力発生モータ５８（図２０参照）を制御する。
【００５６】
図２２乃至２５により、ζを変化させた場合の人間系或いは機械系の応答の変化の実験による検証結果について説明する。図２２は、実験装置の概略図であり、図２３は、実験により得られた減衰係数ζを変化させた場合のペダルを踏む足先の速度の変化を示す線図であり、図２４（ａ）は、実験により得られた操舵角に対する減衰係数ζの変化が異なる３つのパターンを示す線図であり、図２４（ｂ）は、実験により得られた図２４（ａ）のζの変化に対応して得られるステアリングトルクの変化を示す線図であり、図２５（ａ）〜（ｃ）は、実験により得られた減衰係数ζが異なる４つのパターンにおけるステアリング操舵角θ、操舵速度θ’及び機械系の粘性Ｂｓである。
【００５７】
先ず、図２２に示すように、実験では、被験者Ｈにステアリング１００を操作させ、操舵角センサ１０２により操舵角を、トルクセンサ１０４により操舵トルクを検出する。ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）１０８により、操舵反力発生モータ１０６が制御されると共にデータがサンプリングされる。ディスプレイ１１０には、操舵する目標位置を示すターゲット及び実際のステアリング角度が表示される。ＤＳＰ１０８には、トルク・エンコーダ１１２が接続され、トルク・エンコーダ１１２にはディスプレイ１１０が接続されている。
【００５８】
次に、このような実験装置により得られた実験結果について説明する。先ず、図２３に示すように、ζを１．０と０．７とで異なるものとした場合、粘性Ｂｈも変化する。そして、そのような粘性Ｂｈの変化に伴い、図２３に示すように、ζが大きい場合は、足先速度が低く、ζが小さい場合には、足先速度が大きくなることが分かる。
【００５９】
次に、図２４（ａ）に示すようにζを変化させた場合には、図２４（ｂ）に示すようにトルク変動が異なるものとなる。例えば、ζが大きく変化するパターン１の場合には、トルク変動が大きくなり、運転者にとって扱いにくいものとなる。一方、ζの変化が小さいパターン２の場合には、トルク変動が小さく且つ操舵角θに対する変化率（傾き）が一定で運転者にとって扱い易いものとなる。また、パターン３では、操舵角θに対する変化率（傾き）が一定ではなく運転者にとって扱いにくいものとなる。
【００６０】
次に、図２５（ａ）〜（ｃ）に示すように、ζの違いによって、操舵角θ、操舵速度θ’及び粘性Ｂｓの時間（横軸）に対する変化の様子が異なることが分かる。これらの線図によれば、ζが小さいときには、応答性が高くなり、ζが大きいときには安定性が高くなることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置が適用されたステアリング装置及びそのステアリング装置を操舵する運転者を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態による人間−機械系のインピーダンスを１自由度の並列モデルで示す人間−機械系モデルである。
【図３】本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置が適用されたステアリング系の概略構成図である。
【図４】本発明の実施形態による車両用操作反力制御装置の基本的な処理内容を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態による運転者の人間系インピーダンスの算出処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態による操舵角及び操舵トルクと慣性Ｍｈとの関係を示すマップである。
【図７】本発明の実施形態による操舵角及び操舵トルクと粘性Ｂｈとの関係を示すマップである。
【図８】本発明の実施形態による操舵角及び操舵トルクと剛性Ｋｈとの関係を示すマップである。
【図９】本発明の実施形態による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζの算出処理を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
【図１１】本発明の実施形態の第１変形例による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
【図１２】本発明の実施形態の第２変形例による人間−ステアリング系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
【図１３】本発明の実施形態によるステアリングの機械系インピーダンスの算出処理を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の実施形態による操舵角θに対する人間−ステアリング系全体の減衰係数ζの設定例の一つである。
【図１５】本発明の実施形態による所定のζを定めるために用いる慣性Ｍｓ及び剛性Ｋｓを示す線図である。
【図１６】本発明の実施形態による所定のζを定めるための図１３及び図１５により得られた粘性Ｂｓを示す線図である。
【図１７】本発明の第２実施形態によるペダル装置及びそのペダル装置を操作する運転者の脚を示す模式図である。
【図１８】本発明の第２実施形態による人間−ブレーキペダル系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
【図１９】本発明の第２実施形態による人間−アクセルペダル系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
【図２０】本発明の第３実施形態によるレバー装置及びそのレバー装置を操作する運転者の手を示す模式図である。
【図２１】本発明の第３実施形態による人間−レバー系全体の減衰係数ζを設定するためのマップである。
【図２２】実験装置の概略図である。
【図２３】実験により得られた減衰係数ζを変化させた場合のペダルを踏む脚先の速度の変化を示す線図である。実験により得られた減衰係数ζが異なる４つのパターンにおけるステアリング操舵角θ、操舵速度θ’及び機械系の粘性Ｂｓである。
【図２４】実験により得られた操舵角に対する減衰係数ζの変化が異なる３つのパターンを示す線図（ａ）及び実験により得られた図２４（ａ）のζの変化に対応して得られるステアリングトルクの変化を示す線図である（ｂ）。
【図２５】実験により得られた減衰係数ζが異なる４つのパターンにおけるステアリング操舵角θ（ａ）、操舵速度θ’（ｂ）及び機械系の粘性Ｂｓ（ｃ）である。
【符号の説明】
【００６２】
２ ステアリングホイール
４ 操舵角センサ
６ 操舵トルクセンサ
８ 操舵反力発生モータ
１０ コントロールユニット
１２ 車速センサ
２０ ステアリングモータ
３２ ペダル
３４ ペダル操作量センサ
３６ ペダル操作反力センサ
３８ 操作反力発生モータ
４０ コントロールユニット
４２ 車速センサ
４４ 前方状況監視カメラ
５２ レバー
５４ レバー操作量センサ
５６ レバー操作反力センサ
５８ 操作反力発生モータ
６０ コントロールユニット
６２ 車速センサ
６４ スロットルセンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の操作機構の操作反力を制御する車両用操作反力制御装置であって、
運転者の人間系力学特性と上記操作機構の機械系力学特性との系全体の力学特性を設定する系全体力学特性設定手段と、
この系全体力学特性設定手段により設定された系全体の力学特性に含まれる所定の評価指標の値を定める評価指標値設定手段と、
上記運転者の人間系力学特性の値を定める人間系力学特性値設定手段と、
この人間系力学特性値設定手段により定められた運転者の力学特性値とを上記系全体の力学特性に入力すると共に、上記評価指標値設定手段により定められた評価指標値が得られるように上記系全体の力学特性における上記操作機構の機械系力学特性の値を定める機械系力学特性値設定手段と、
この機械系力学特性値設定手段により定められた上記操作機構の機械系力学特性の値に基づいて上記操作機構の操作反力を制御する操作反力制御手段と、
を有することを特徴とする車両用操作反力制御装置。
【請求項２】
上記人間系力学特性は上記運転者の慣性（Ｍｈ）、粘性（Ｂｈ）、剛性（Ｋｈ）で表される機械インピーダンス特性であり、上記機械系力学特性は上記操作機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）で表される機械インピーダンス特性であり、上記評価指標は、上記系全体の力学特性を上記運転者の慣性（Ｍｈ）、粘性（Ｂｈ）、剛性（Ｋｈ）及び上記操作機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）をパラメータとする人間系と機械系の１自由度の並列モデルで表現して得られる減衰係数ζである請求項１に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項３】
上記減衰係数ζは、上記車両の車速に応じて異なる値に設定される請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項４】
上記系全体は、腕とステアリングの系、或いは、脚とペダルの系、或いは、腕とレバーの系である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項５】
上記減衰係数ζは、上記腕とステアリングの系、或いは、脚とペダルの系、或いは、腕とレバーの系のそれぞれに応じて異なる値に設定される請求項４に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項６】
上記系全体は、運転者の腕とステアリング機構の系であり、上記機械系力学特性値設定手段は、上記減衰係数ζが所定の値となるような上記ステアリング機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）の値を定め、上記操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力を電動パワーステアリングモータに発生させる請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項７】
上記ステアリング機構はステアバイワイヤ機構である請求項６に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項８】
上記系全体は、運転者の脚とブレーキペダル機構との系であり、上記機械系力学特性値設定手段は、上記減衰係数ζが所定の値となるような上記ブレーキペダル機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）を定め、上記操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力を上記ブレーキペダル機構の反力発生モータに発生させる請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項９】
上記系全体は、運転者の脚とアクセルペダル機構との系であり、上記機械系力学特性値設定手段は、上記減衰係数ζが所定の値となるような上記アクセルペダル機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）を定め、上記操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力を上記アクセルペダル機構の反力発生モータに発生させる請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項１０】
上記系全体は、運転者の腕とシフトレバー機構との系であり、上記機械系力学特性値設定手段は、上記減衰係数ζが所定の値となるような上記シフトレバー機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）を定め、上記操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力を上記シフトレバーの反力発生モータに発生させる請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項１１】
上記系全体は、運転者の腕とステアリング機構との系であり、上記人間系力学特性により定められる上記運転者の慣性（Ｍｈ）、粘性（Ｂｈ）、剛性（Ｋｈ）は、それぞれ、操舵角（θ）が大きい程慣性（Ｍｈ）が小さくなり、操舵トルク（τ）が大きい程粘性（Ｂｈ）が小さくなり、操舵トルク（τ）が大きい程剛性（Ｋｈ）が大きくなる請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項１２】
上記評価指標設定手段により定められる上記減衰係数ζは、操舵開始時に小さい値に設定され、操舵が進むと大きい値に設定される請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項１３】
上記評価指標設定手段により定められる上記減衰係数ζは、操舵角（θ）の値に応じて変化するように設定される請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項１】
車両の操作機構の操作反力を制御する車両用操作反力制御装置であって、
運転者の人間系力学特性と上記操作機構の機械系力学特性との系全体の力学特性を設定する系全体力学特性設定手段と、
この系全体力学特性設定手段により設定された系全体の力学特性に含まれる所定の評価指標の値を定める評価指標値設定手段と、
上記運転者の人間系力学特性の値を定める人間系力学特性値設定手段と、
この人間系力学特性値設定手段により定められた運転者の力学特性値とを上記系全体の力学特性に入力すると共に、上記評価指標値設定手段により定められた評価指標値が得られるように上記系全体の力学特性における上記操作機構の機械系力学特性の値を定める機械系力学特性値設定手段と、
この機械系力学特性値設定手段により定められた上記操作機構の機械系力学特性の値に基づいて上記操作機構の操作反力を制御する操作反力制御手段と、
を有することを特徴とする車両用操作反力制御装置。
【請求項２】
上記人間系力学特性は上記運転者の慣性（Ｍｈ）、粘性（Ｂｈ）、剛性（Ｋｈ）で表される機械インピーダンス特性であり、上記機械系力学特性は上記操作機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）で表される機械インピーダンス特性であり、上記評価指標は、上記系全体の力学特性を上記運転者の慣性（Ｍｈ）、粘性（Ｂｈ）、剛性（Ｋｈ）及び上記操作機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）をパラメータとする人間系と機械系の１自由度の並列モデルで表現して得られる減衰係数ζである請求項１に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項３】
上記減衰係数ζは、上記車両の車速に応じて異なる値に設定される請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項４】
上記系全体は、腕とステアリングの系、或いは、脚とペダルの系、或いは、腕とレバーの系である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項５】
上記減衰係数ζは、上記腕とステアリングの系、或いは、脚とペダルの系、或いは、腕とレバーの系のそれぞれに応じて異なる値に設定される請求項４に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項６】
上記系全体は、運転者の腕とステアリング機構の系であり、上記機械系力学特性値設定手段は、上記減衰係数ζが所定の値となるような上記ステアリング機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）の値を定め、上記操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力を電動パワーステアリングモータに発生させる請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項７】
上記ステアリング機構はステアバイワイヤ機構である請求項６に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項８】
上記系全体は、運転者の脚とブレーキペダル機構との系であり、上記機械系力学特性値設定手段は、上記減衰係数ζが所定の値となるような上記ブレーキペダル機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）を定め、上記操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力を上記ブレーキペダル機構の反力発生モータに発生させる請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項９】
上記系全体は、運転者の脚とアクセルペダル機構との系であり、上記機械系力学特性値設定手段は、上記減衰係数ζが所定の値となるような上記アクセルペダル機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）を定め、上記操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力を上記アクセルペダル機構の反力発生モータに発生させる請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項１０】
上記系全体は、運転者の腕とシフトレバー機構との系であり、上記機械系力学特性値設定手段は、上記減衰係数ζが所定の値となるような上記シフトレバー機構の慣性（Ｍｓ）、粘性（Ｂｓ）、剛性（Ｋｓ）を定め、上記操作反力制御手段は、それらの機械インピーダンス特性となるような反力を上記シフトレバーの反力発生モータに発生させる請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項１１】
上記系全体は、運転者の腕とステアリング機構との系であり、上記人間系力学特性により定められる上記運転者の慣性（Ｍｈ）、粘性（Ｂｈ）、剛性（Ｋｈ）は、それぞれ、操舵角（θ）が大きい程慣性（Ｍｈ）が小さくなり、操舵トルク（τ）が大きい程粘性（Ｂｈ）が小さくなり、操舵トルク（τ）が大きい程剛性（Ｋｈ）が大きくなる請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項１２】
上記評価指標設定手段により定められる上記減衰係数ζは、操舵開始時に小さい値に設定され、操舵が進むと大きい値に設定される請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【請求項１３】
上記評価指標設定手段により定められる上記減衰係数ζは、操舵角（θ）の値に応じて変化するように設定される請求項２に記載の車両用操作反力制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２００８−２９６６０５（Ｐ２００８−２９６６０５Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４１４７３（Ｐ２００７−１４１４７３）
【出願日】平成１９年５月２９日（２００７．５．２９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１８年１２月１４日 「社団法人 計測自動制御学会」発行 「（社）計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会 講演概要集」 第１１９頁 平成１８年１２月１４日 「社団法人 計測自動制御学会」発行 「（社）計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会 講演論文集（ＣＤ−ＲＯＭ）」 第２０５頁〜第２０６頁 平成１９年４月１０日 「ＩＥＥＥ」発行 「２００７ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｒｏｍｅ，Ｉｔａｌｙ １０−１４ Ａｐｒｉｌ ２００７（講演概要集）」 第１３２頁 平成１９年４月１０日 「ＩＥＥＥ」発行 「２００７ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｒｏｍｅ，Ｉｔａｌｙ １０−１４ Ａｐｒｉｌ ２００７（論文集、ＤＶＤ）」 第３６２７頁〜第３６３２頁
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２９日（２００７．５．２９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１８年１２月１４日 「社団法人 計測自動制御学会」発行 「（社）計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会 講演概要集」 第１１９頁 平成１８年１２月１４日 「社団法人 計測自動制御学会」発行 「（社）計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会 講演論文集（ＣＤ−ＲＯＭ）」 第２０５頁〜第２０６頁 平成１９年４月１０日 「ＩＥＥＥ」発行 「２００７ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｒｏｍｅ，Ｉｔａｌｙ １０−１４ Ａｐｒｉｌ ２００７（講演概要集）」 第１３２頁 平成１９年４月１０日 「ＩＥＥＥ」発行 「２００７ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｒｏｍｅ，Ｉｔａｌｙ １０−１４ Ａｐｒｉｌ ２００７（論文集、ＤＶＤ）」 第３６２７頁〜第３６３２頁
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
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