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技術 重畳角操作部の操作角及び出力トルクの制御のための方法及び制御構造

出願人 ローベルトボッシュオートモーティブステアリングゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
発明者 ビリー、クリアーラインハルト、グロスハイム
出願日 2007年1月24日 (13年5ヶ月経過) 出願番号 2007-014153
公開日 2007年8月16日 (12年10ヶ月経過) 公開番号 2007-204034
状態 拒絶査定
技術分野 走行状態に応じる操向制御 パワーステアリング装置 パワーステアリング機構
主要キーワード 補償コントローラ 付着摩擦 卒業論文 モータ操作 制御工学 目標操作 カルダン軸 的起動
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2007年8月16日)のものです。
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図面 (6)

課題

自動車用重畳形ステアリングシステム又は重畳角操作部を、動挙動触覚、音響及び/又は堅牢性といった性質に関して改善する。

解決手段

自動車の重畳形ステアリングシステム(1)の重畳角操作部(9)の操作角(δM)及び出力トルクの制御を行うに際して、少なくとも操作角(δM)の制御を非線形補償コントローラ(13’a)によって行われるようにした。

概要

背景

ドイツ特許公開DE19751125A1によりステアリングシステム操作方法が公知である。ここでは運転者ステアリングホイールによって生じさせるステアリング運動、即ちステアリングホイール角は、重畳ギヤによってアクチュエータ又は重畳角操作部の運動、即ちモータ角又は操作角と重ね合わされる。こうして生じた重畳運動は、ステアリング角の調整のために、ステアリングギヤ又はステアリングリンケージを介してかじ取り可能に構成された車輪へ伝達される。ここではアクチュエータは電動機として構成されている。このようなパワーステアリングシステムの機能原理又は実用化は、特にステアリングが重畳ギヤの変速比によって間接的に遂行され、こうして小さなステアリングホイール・トルクが得られることにある。これに基づいて通常の大きさのステアリングホイール角で所要出力角が設定できるように、適当な操作角を重ね合わせることによって、非常に大きなステアリングホイール角が回避される。ステアリングのアシストのために必要な操作角又はその目標値はステアリングホイール角から決定される。また操作角は、センサ及び/又はその他の車両システム、例えばエレクトロニックスタビティープログラムESP)により検出された車両運動を表す信号にも関係する。これは、必要なモータ操作角の決定のため又は実用化の制御のために必要なプログラムを実行する制御装置によって行われる。

自動車のこのような重畳形ステアリングシステムの重畳角操作部又は電動機の操作角及び出力トルクの制御は通常、操作角位置のシーケンス制御及び出力トルクの電流制御によってカスケード制御として行われる。

制御においては重畳形ステアリングシステムの下記の性質が考慮される。
−ステアリングの動挙動、即ち動的起動及び操縦挙動
ステアリングトルク感触、即ち粗さ又は波打ち(いわゆる「リップル」)、
−音響、
−重畳角操作部の堅牢性、即ち機械的性質、例えば付着摩擦又は粘性減衰の変化及び環境の影響、例えば温度、製造精度及び許容差に対する感受性
ドイツ国特許公開公報DE19751125A1

概要

自動車用の重畳形ステアリングシステム又は重畳角操作部を、動挙動、触覚、音響及び/又は堅牢性といった性質に関して改善する。自動車の重畳形ステアリングシステム(1)の重畳角操作部(9)の操作角(δM)及び出力トルクの制御を行うに際して、少なくとも操作角(δM)の制御を非線形補償コントローラ(13’a)によって行われるようにした。

目的

本発明の根底にあるのは、重畳形ステアリングシステム又は重畳角操作部を動挙動、触覚、音響及び/又は堅牢性といった性質に関して改善する、冒頭に挙げた種類の制御方法及び制御構造を提供する課題である。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

自動車重畳形ステアリングシステム(1)の重畳角操作部(9)の操作角(δM)及び出力トルクの制御のための制御方法において、少なくとも操作角(δM)の制御が非線形補償コントローラ(19’、19”、19”’)によって行われることを特徴とする制御方法。

請求項2

重畳角操作部が電動機(9)であることを特徴とする、請求項1に記載の制御方法。

請求項3

出力トルクの制御が電動機(9)の電流制御によって行なわれることを特徴とする、請求項2に記載の制御方法。

請求項4

電動機(9)の電流制御がフィールドオリエンテッドコントロールにより行われることを特徴とする、請求項3に記載の制御方法。

請求項5

さらに出力トルクの制御が非線形補償コントローラ(19”、19”’)によって行われることを特徴とする、請求項1に記載の制御方法。

請求項6

非線形補償コントローラ(19’)がトルク算出コントローラとして形成されていることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の制御方法。

請求項7

非線形補償コントローラ(19”)が完全線形化に基づくことを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の制御方法。

請求項8

非線形補償コントローラ(19”’)がスライディングモードコントローラとして形成されていることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の制御方法。

請求項9

システム誤差補償のためにさらに不連続コントローラ(21)が使用されることを特徴とする、請求項8に記載の制御方法。

請求項10

少なくとも1個の微分前置フィルタ(18a、18b)が使用されることを特徴とする、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の制御方法。

請求項11

重畳形ステアリングシステム(1)の合成ラックギヤ力をモデルに基づいて推定することを特徴とする、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の制御方法。

請求項12

少なくとも2つの極点の極点設定を行うことを特徴とする、請求項1乃至11のいずれか一項に記載の制御方法。

請求項13

自動車の重畳形ステアリングシステム(1)の重畳角操作部(9)の操作角(δM)及び出力トルクの制御のための制御構造(13’、13”、13”’)において、少なくとも操作角(δM)の制御のために非線形補償コントローラ(19’、19”、19”’)が設けられていることを特徴とする制御構造。

請求項14

出力トルクの制御のためにも非線形補償コントローラ(19”、19”’)が設けられていることを特徴とする、請求項13に記載の制御構造(13’、13”、13”’)。

請求項15

請求項1乃至12のいずれか一項に記載の制御方法の実施のための手段を有する請求項13または14に記載の制御構造(13’、13”、13”’)。

請求項16

プログラムコンピュータマイクロプロセッサで、重畳形ステアリングシステム(1)の制御装置(11)で実行される場合に、自動車の重畳形ステアリングシステム(1)の操作角(δM)及び出力トルクの制御のための請求項1乃至12のいずれか一項に記載の制御方法を行うための、プログラムコード手段を備えたコンピュータプログラム

請求項17

プログラムがコンピュータのマイクロプロセッサで、重畳形ステアリングシステム(1)の制御器(11)で実行される場合に、自動車の重畳形ステアリングシステム(1)の操作角(δM)及び出力トルクの制御のための請求項1乃至12のいずれか一項に記載の制御方法を行うために、コンピュータ読み取り可能なデータ媒体に記憶された、プログラムコード手段を備えたコンピュータプログラム製品

請求項18

自動車の少なくとも1個のかじ取り可能な車輪(5a、5b)の所望のかじ取り角(δFm)の尺度としてステアリングホイール角(δS)を設定するためのステアリングハンドルと、ステアリングホイール角(δS)を自動車の少なくとも1個のかじ取り可能な車輪(5a、5b)のかじ取り角(δFm)に変換するステアリングギヤ(2)と、重畳角操作部(9)により操作角(δM)を生成し、ステアリングホイール角(δS)と操作角を重ね合わせてステアリングギヤ(4)の入力角(δG)を生成するための重畳手段(8)と、を有し、重畳角操作部(9)が請求項13乃至15のいずれか一項に記載の制御構造によって制御される自動車の重畳形ステアリングシステム(1)。

技術分野

0001

本発明は自動車重畳(重ね合わせ)形ステアリングシステムの重畳角操作部の操作角及び出力トルクの制御のための制御方法及び制御構造に関する。また本発明は制御方法を行うためのコンピュータプログラム及びコンピュータプログラム製品並びに重畳形ステアリングシステムに関する。

背景技術

0002

ドイツ特許公開DE19751125A1によりステアリングシステムの操作方法が公知である。ここでは運転者ステアリングホイールによって生じさせるステアリング運動、即ちステアリングホイール角は、重畳ギヤによってアクチュエータ又は重畳角操作部の運動、即ちモータ角又は操作角と重ね合わされる。こうして生じた重畳運動は、ステアリング角の調整のために、ステアリングギヤ又はステアリングリンケージを介してかじ取り可能に構成された車輪へ伝達される。ここではアクチュエータは電動機として構成されている。このようなパワーステアリングシステムの機能原理又は実用化は、特にステアリングが重畳ギヤの変速比によって間接的に遂行され、こうして小さなステアリングホイール・トルクが得られることにある。これに基づいて通常の大きさのステアリングホイール角で所要出力角が設定できるように、適当な操作角を重ね合わせることによって、非常に大きなステアリングホイール角が回避される。ステアリングのアシストのために必要な操作角又はその目標値はステアリングホイール角から決定される。また操作角は、センサ及び/又はその他の車両システム、例えばエレクトロニックスタビティープログラムESP)により検出された車両運動を表す信号にも関係する。これは、必要なモータ操作角の決定のため又は実用化の制御のために必要なプログラムを実行する制御装置によって行われる。

0003

自動車のこのような重畳形ステアリングシステムの重畳角操作部又は電動機の操作角及び出力トルクの制御は通常、操作角位置のシーケンス制御及び出力トルクの電流制御によってカスケード制御として行われる。

0004

制御においては重畳形ステアリングシステムの下記の性質が考慮される。
−ステアリングの動挙動、即ち動的起動及び操縦挙動
ステアリングトルク感触、即ち粗さ又は波打ち(いわゆる「リップル」)、
−音響、
−重畳角操作部の堅牢性、即ち機械的性質、例えば付着摩擦又は粘性減衰の変化及び環境の影響、例えば温度、製造精度及び許容差に対する感受性
ドイツ国特許公開公報DE19751125A1

発明が解決しようとする課題

0005

本発明の根底にあるのは、重畳形ステアリングシステム又は重畳角操作部を動挙動、触覚、音響及び/又は堅牢性といった性質に関して改善する、冒頭に挙げた種類の制御方法及び制御構造を提供する課題である。

課題を解決するための手段

0006

本発明に基づきこの課題は自動車の重畳形ステアリングシステムの重畳角操作部の操作角及び出力トルクの制御のための制御方法において、少なくとも操作角の制御が非線形補償コントローラによって行われる制御方法によって解決される。

0007

制御構造に関しては、この課題は請求項13によって解決される。

0008

非線形補償コントローラを使用することによって、重畳角操作部の起動又は操縦挙動の著しい改善が得られる利点がある。さらにアクチュエータの動挙動の直接的な数学的物理学的設定が可能になる。即ち触覚及び音響に直接影響を及ぼすことができる。制御対象の性質(例えば摩擦等)の周知のバラツキコントローラの設計の際にすでに考慮することができるから、使用時の重畳角操作部の安定性又は堅牢性が著しく高められる。同時に制御技術の周知の定評ある方法によるコントローラの設計は、コントローラの安定性の証明と品質暗黙のうちに示している。

0009

また本発明に基づき、さらに出力トルクの制御が非線形補償コントローラによって行なわれるように構成することができる。

0010

それによって重畳角操作部の操作角の制御も、出力トルクの制御も、非線形補償コントローラによって行うことができる利点がある。

0011

非線形補償コントローラとしてとりわけ
−トルク算出コントローラ
−完全線形化に基づく補償コントローラ
スライディングモードコントローラ
が考えられる。

0012

このような補償コントローラ又はコントローラ案は例えば“W.Kleiner, Theoretische Modellbildung,Rechnersimulation und Regelung raeumlicher serv-opneumatischer Parallelroboter, Dissertation, Universitaet Kassel, Fachbe-reich Maschinennbau, Fachgebiet Regelungstechnik, Shaker Verlag, 2002”(W.クライナー著、立体的サーボ気式並列ロボット理論的モデル構成コンピュータシミュレーション及び制御、カッセル大学学位請求論文専攻領域・機械製造、専攻分野・制御工学シャーカー出版社、2002年刊)で詳しく説明されている。

0013

システム誤差補償のために、さらに不連続コントローラを使用すれば好都合である。

0014

少なくとも1個の微分前置フィルタ又は状態変数フィルタを使用することが好ましい。

0015

モデルに基づいて合成ラックギヤ力を推定すれば好都合である。この推定方法の実施は、例えば“B.Pnini, Steering Rack Force Model for Active Steering Systems, Diplomarbeit, Department of Machine and Vehicle Systems, Ch-almers University of Technology, Sweden, 2004”(B.プニーニ著、アクティブ・ステアリングシステムのためのステアリング・ラック力モデル、スエーデン、チャマーズ工科大学機械・車両システム学部卒業論文、2004年)に記載されている。

0016

少なくとも2つ、特に3つの極点の極点設定を指定することもできる。

0017

自動車の重畳形ステアリングシステムの重畳角操作部の操作角及び出力トルクの制御のための本発明に基づく制御方法は、とりわけ重畳形ステアリングシステムの制御装置でコンピュータプログラムとして実現される。そのためにコンピュータプログラムが制御装置の記憶素子に記憶される。制御装置のマイクロプロセッサで処理することによって、この方法が実行される。コンピュータプログラムはコンピュータ読み取り可能なデータ媒体フロッピーディスク、CD、DVD、ハードディスクUSBメモリースティック等)又はインターネットサーバーにコンピュータプログラム製品として記憶し、そこから制御装置の記憶素子に伝送することができる。プログラムコード手段を有するこのようなコンピュータプログラム又はコンピュータプログラム製品は請求項16又は請求項17に示されている。

0018

請求項18は自動車の重畳形ステアリングシステムに関するものである。

0019

発明のその他の有利な実施態様及び改良は、その他の従属請求項で明らかである。次に図面に基づいて発明の実施例の概要を示す。

発明を実施するための最良の形態

0020

図示しない自動車の重畳形ステアリングシステム1を図1に示す。重畳形ステアリングシステム1はステアリングホイール2として形成されたステアリングハンドルを有する。ステアリングホイール2はカルダン軸3を介してステアリングギヤ4と連結される。ステアリングギヤ4はカルダン軸3の回転角を自動車のかじ取り可能な車輪5a、5bのかじ取り角δFmに変換するためのものである。ステアリングギヤ4はラック6とピニオン7を有し、ピニオン7にカルダン軸3が作用する。重畳形ステアリングシステム1はさらに重畳手段8を具備する。重畳手段8は電動機9として形成されたアクチュエータ又は重畳角操作部及びこれによって駆動される重畳ギヤ10を有する。重畳ギヤは遊星歯車装置10として形成されている。ステアリングホイール2によってステアリングホイール角δSが、自動車のかじ取り可能な車輪5a、5bの所望のかじ取り角δFmの尺度として設定される。次に電動機9によって重畳角δMが発生され、重畳ギヤ10によってステアリングホイール角δSと重ね合わせられる。操作角δMは自動車の運転動挙動又は快適性を改善するために生成される。ステアリングホイール角δSと操作角δMの和がステアリングギヤ4の入力角又は本例ではピニオン角δGとなる。

0021

図示しない別の実施例では、重畳形ステアリングシステム1はさらに重畳手段8の後方に、特に可変トルク増強のためのブースタを備えることができる。

0022

重畳形ステアリングシステム1は、とりわけ電動機9の操作角δM及び出力トルクの制御にも使用される電子制御装置11を有する。そのために制御装置11の図示しないマイクロプロセッサで制御構造として又はコンピュータプログラムとして構成された制御方法が、電子制御装置11で実行される。電動機9は、電動機9によって重ね合わせられる操作角δMの目標値に相当する電気駆動信号δMdによって駆動される。電動機9の駆動又は制御はとりわけ自動車の車速vXに応じて行われる。即ちステアリングホイール角δSとピニオン角δG又は車輪5a、5bのかじ取り角δFmとの間の変速比は、かじ取り角δSに種々の速度依存性操作角δMを重ね合わせることにより車速vXに応じて調整される。こうして例えば低い車速vXで比較的小さな変速比を指定することが可能であり、その場合ステアリングホイール2の比較的小さな回転が車輪5a、5bの比較的大きなかじ取り角δFmをもたらす。同様に高い車速vXで安定性の理由から、比較的大きな変速比を指定することが考えられる。但しこの車速vXへの依存性任意選択である。

0023

上記の開ループ又は閉ループ制御機能を遂行するために、制御装置11は入力信号として現在の車速VXを受け取る(例えば自動車のCANバスを介して)。また重畳形ステアリングシステム1はステアリングホイール角δS、操作角δM及びピニオン角δGを測定し又は等価信号を送出するセンサ12a、12b、12cを有し、この信号からこれらの角を決定することができる。図1示唆するように、センサ12a、12b、12c及びその他の車両システムによりとりわけ入力信号、即ちステアリングホイール角δS、ピニオン角δG、操作角δM及び操作角δMの目標値が(例えばその他のビークルダイナミクスステム設定値として)制御装置11に送られる。代案として又は補足的に、これらの量の幾つかを他の又は別の入力量(例えば車輪回転数等)に基づき、特に適当なモデルを用いて計算してもよい。

0024

図2に重畳形ステアリングシステム1の電動機9の操作角δM及び出力トルクの制御のための周知の制御回路又は制御構造のブロック構成図を示す。また制御回路はカスケードコントローラとして構成されたコントローラ13、制御対象14、外乱15及び信号処理部16を有する。コントローラ13は操作角のためのシーケンス制御13a及び電流制御13bとして構成された電動機9の出力トルク制御を有する。シーケンス制御13aは入力として目標操作角δMd、現在測定又は検出された操作角δM及び現在測定又は検出された操作角速度δM’を受け取り、所望の目標トルクMdを電流制御13bへ送る。また電流制御13bは入力として現在の操作角δM及び操作角速度δM’並びに電動機9の相電流Iu、Ivを受け取る。電流制御13b又はコントローラ13は駆動信号として電圧Usq、Usdを電動機9又は制御対象14へ送る。また制御対象14は作動機構17を有する。作動機構17は最終的に操作角δMを発生し、検出された現在の操作角速度δM’を電動機9へ、検出された現在の操作角δMを信号処理部16へ返送する。外乱15はステアリングホイール運動15a及び車両運動又は油圧系15bからなる。油圧系15bは、ステアリングホイール角δS又はその速度δS’又はその加速δS”に関係するステアリングホイール運動の反作用力FSもしくは車両運動の力FFZGにより、左右の油圧室圧力差又はピニオン角δGに依存するラック6を介して制御対象14に作用する。

0025

次に図3、4及び5に基づいて、図2の周知のコントローラ13に代わる制御構造の本発明に基づく3つの実施形態13’、13”、13”’を示す。制御構造13’、13”、13”’は本発明に基づく制御方法の実施のために適しており、又は本発明に基づく制御方法の簡素化されたブロック構成図を示す。

0026

図3の制御構造13’はトルク演算コントローラとして構成された非線形補償コントローラ13’aを有する。非線形補償コントローラ13’aは電動機9の所望の目標トルクMdを同じく設けられた図2の周知の電流制御13bに送る。また微分前置フィルタ18a及び18bが設けられ、所望の目標操作角δMd又は現在測定された操作角δMからそれぞれ当該の速度δM’、δMd”を決定し、極点設定装置19、補償コントローラ13’a及びトルクの電流制御13bへ送る。極点設定装置19は非線形補償コントローラ13’aに対して2つの極点を決定する。本例で非線形補償コントローラ13’aは作動機構17だけを考慮する。そのためにコントローラ係数K0、K1が設定される。本例では電流制御13bはフィールドオリエンテッドコントロールで行われる。さらにユニット20で合成ラックギヤ力FRがモデルに基づいて推定される。ラックギヤ力FRは非線形補償コントローラ13’aに入力として送られる。また相電流Iu,v,w及び相電圧Uu,v,wが電流制御13bに与えられる。制御構造13’は電動機9の駆動信号としての電圧Usq、Usdを出力信号として送出する(図2と同様)。

0027

図4に本発明に基づく制御構造13”の別の実施形態を示す。その場合非線形補償コントローラ13”cによって操作角δMの制御も電動機9の出力トルクの制御も行われる。非線形補償コントローラ13”cは機械的及び電子システムダイナミックスを考慮し、不完全線形化に基づいている。またこの場合極点設定装置19”がコントローラ係数K0、K1、K2により3つの極点を設定する。こうして制御構造13”は全重畳角操作部又は電動機9の逆モデル包含する。

0028

図5に本発明に基づく制御方法又は本発明に基づく制御構造13”’の第3の実施形態を示す。その場合全電動機9又は全制御対象14の逆モデル、即ち機械的及び電子的システムダイナミックスを考慮する非線形補償コントローラ13”’cが設けられている。非線形補償コントローラ13”’cはスライディングモードコントローラとして構成される。さらにシステム誤差の補償のために不連続コントローラ21が設けられている。この補助不連続コントローラ21は上位にあり、誤差又は万一誤ったパラメータがあっても、全系が引続き安定を保つことを保証する。制御偏差があったときに誤差の符号(sign(s))に応じて適当な補正が行われる。そのためにコントローラ係数KSM(δM’)及びモデル誤差に関する係数λが設定される。このような補償コントローラ13’a、13”c、13”’c、当該のコントローラ係数K0、K1、K2、KSMの決定及びモデル誤差に関する係数λの決定は“W.Kleiner, Theoretische Modellbildung,Rechnersimulation und Regelung raeumlicher servopneumatischer Parallelroboter, Dissertation, Universitaet Kassel, Fachbereich Maschinennbau, Fachgebiet Regelungste-chnik, Shaker Verlag, 2002”(W.クライナー著、立体的サーボ空気式並列ロボットの理論的モデル構成、コンピュータシミュレーション及び制御、カッセル大学学位請求論文、専攻領域・機械製造、専攻分野・制御工学、シャーカー出版社、2002年刊)で詳しく説明されている。

図面の簡単な説明

0029

重畳形ステアリングシステムの概略図を示す。
図1の重畳形ステアリングシステムのための制御構造の概略ブロック構成図を示す。
本発明に基づく制御構造の第1実施形態の概略ブロック構成図を示す。
本発明に基づく制御構造の第2実施形態の概略ブロック構成図を示す。
本発明に基づく制御構造の第3実施形態の概略ブロック構成図を示す。

符号の説明

0030

1重畳形ステアリングシステム
2ステアリングホイール
3カルダン軸
4ステアリングギヤ
5a、5bかじ取り可能な車輪
6 ラック
7ピニオン
8重畳手段
9 重畳操作部、電動機
10遊星歯車装置
11電子制御装置
12a、12b、12cセンサ
13、13’、13”、13”’制御構造
13a、13b 制御部
13’、13”c、13”’c非線形補償コントローラ
14制御対象
15外乱
16信号処理部
17作動機構
18a、18b 微分前置フィルタ
19、19’、19”極点設定装置
20 FR推定装置
21システム誤差の補償のための不連続コントローラ
δFm かじ取り可能な車輪の角
δGピニオン角
δM操作角
δMd目標トルク
δSステアリングホイール角
pL圧力差
vx車速
Iu、Iv、Iw相電流
Uu、Uv、Uw相電圧
λモデル誤差に関する係数
K0、K1、K2、KSMコントローラ係数

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