CN104276206B - 车辆的驾驶辅助控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的车辆的驾驶辅助控制装置能够使对目标路线的快速追随性和在目标路线上行驶的条件下的车辆动作的稳定性得到良好平衡。基于行驶道路形状算出通过前馈控制沿目标路线行驶所必需的电动电机(12)的前馈控制量Iff、Tff。当前的目标路线与本车位置之间的偏移越大时可将预测时间T可变得设定为越短，并将经过该预测时间T后的位置作为前方注视点，为消除在该前方注视点处的目标路线与本车辆的车辆轨迹之间的偏移，根据车辆的行驶状态计算出通过反馈控制沿目标路线行驶所需要的电动电机(12)的反馈控制量Ifb、Tfb。然后，根据驾驶员的转向扭矩Td、前馈控制量Iff、Tff、反馈控制量Ifb、Tfb，计算出电动电机电流值Icmd。

Description

车辆的驾驶辅助控制装置
技术领域
本发明涉及一种通过驱动电动助力转向电机等沿设定的目标路线行驶的车辆的驾驶辅助控制装置。
背景技术
近年来，出于减少交通事故、减轻驾驶员的负担的目的，不断开发出以沿设定的目标路线行驶的方式辅助驾驶的各种各样的驾驶辅助控制装置的技术。作为计算用于使这样的车辆沿目标路线行驶的目标转向角的方法，众所周知的是模拟驾驶员的驾驶操作的前方注视点模型。例如：在日本特开2005-170327号公报(以下称为专利文献1)中，公开了一种车辆用自动转向控制装置的技术，即在将设定于本车辆前方的前方注视点设定成随着本车车速的增大而远离本车辆，根据该前方注视点与作为行驶目标路径的基准路径之间的误差来计算转向角的车辆用自动转向控制装置中，对基于在转弯跟前设定的前方注视点的误差进行校正，以使其接近于基于进入该转弯时设定的前方注视点的误差。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-170327号公报
发明内容
然而，在上述专利文献1所公开的根据前方注视点处距离目标路线的横向偏差设定目标转向角的情况下，如果缩短从当前的车辆位置到前方注视点的距离、或预测时间(本车辆到达前方注视点为止的时间)，则变成观察车辆近前而快速追随目标路线的动作，虽然对目标路线的追随性会变好，但是由于只重视当前的横向偏差的过度操作而使得目标转向角和车辆动作变得不稳定。另一方面，若延长预测时间，则变成该预测时间后恢复至目标路线即可的动作，虽然对目标路线的追随性变得缓慢，但是不仅进行考虑到与目标路线之间的横向偏差的预测控制，还进行考虑到对目标路线的车辆的方向、和/或其变化率(横摆角速度)的预测控制，从而得到稳定的目标转向角和/或车辆动作。根据以上所述，利用前方注视点模型来实施驾驶辅助控制时，需要适当地设定预测时间以使对目标路线的快速追随性和车辆动作的稳定性得到平衡。如上述专利文献1所公开的那样，根据车速设定前方注视点与保持预测时间为恒定是相同的，有根据车速的增加实现车辆动作的稳定化的效果，但存在高速时对目标路线的追随性会变得缓慢这样的问题。另外，作为应对在进入转弯时前方注视点相对转弯过深，从而变成未考虑之后的减速操作的控制这一问题的对策，虽然也公开了根据前方的道路半径来改变前方注视点的功能，但是也只是假设进入转弯时的车速而进行的校正，与车速感应的前方注视点的距离设定基本相同。
本发明是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供一种能够使对目标路线的快速追随性和在目标路线上行驶的条件下的车辆动作的稳定性得到良好平衡的车辆的驾驶辅助控制装置。
本发明的车辆的驾驶辅助控制装置的一个实施方式，包含：目标路线设定单元，用于设定本车辆应行驶的目标路线；车辆轨迹估计单元，用于估计本车辆的车辆轨迹；前方注视点计算单元，将根据当前的所述目标路线与所述本车位置之间的偏移可变设定的预测时间经过后的位置作为前方注视点算出；控制单元，用于至少根据所述前方注视点处的所述目标路线与所述估计的本车辆的车辆轨迹之间的偏移控制本车辆，以使本车辆沿目标路线行驶。
根据本发明的车辆的驾驶辅助控制装置，能够使对目标路线的快速追随性和在目标路线上行驶的条件下的车辆动作的稳定性得到良好的平衡。
附图说明
图1为本发明的一个实施方式的车辆的转向系统的构成说明图。
图2为本发明的一个实施方式的转向控制部的功能框图。
图3为本发明的一个实施方式的车道保持控制程序的流程图。
图4为本发明的一个实施方式的坐标系及白线、目标路线的曲率的说明图。
图5为本发明的一个实施方式的根据当前的目标路线与本车位置之间的偏移设定的预测时间的特性的一个例子的说明图。
图6为本发明的一个实施方式的基于曲率的反馈运算数的说明图。
图7为本发明的一个实施方式的基于横摆角的反馈运算数的说明图。
图8为表示本发明的一个实施方式的电动助力转向电机的输入扭矩与电机电流值之间的关系特性的一个例子的说明图。
图9为通过根据本发明的一个实施方式所设定的预测时间控制的车道保持控制的效果的说明图，图9(a)表示相对于目标路线的位置，图9(b)表示通过控制设定的目标转向角。
【符号说明】
1 电动助力转向装置
2 转向轴
4 转向盘
5 小齿轮轴
10L、10R 车轮
12 电动电机
20 转向控制部(控制单元)
20a 前馈控制部(目标路线设定单元、车辆轨迹估计单元)
20b 预测时间设定部(前方注视点计算单元)
20c 反馈控制部(目标路线设定单元、车辆轨迹估计单元、前方注视点计算单元)
20d 输入扭矩计算部
20e 电动助力转向电机基本电流值设定部
20f 电动助力转向电机电流值计算部
21 电机驱动部
31 前方识别装置
32 车速传感器
33 转向角传感器
34 转向扭矩传感器
具体实施方式
下面，根据附图说明本发明的实施方式。
应予说明，本发明的实施方式中，将以所谓的使用了电动助力转向电机的车道保持控制作为车辆的驾驶辅助控制的一个例子进行说明。
在图1中，符号1表示与驾驶员输入相独立地能够自由设定转向角的电动助力转向装置，在电动助力转向装置1中，转向轴2介由转向柱3能够转动自如地支承于未图示的车体框架上，转向轴2的一端向驾驶席侧延伸，另一端向发动机室侧延伸。在转向轴2的驾驶席侧端部，固定设有转向盘4，另外，在向发动机室侧延伸的端部连接设有小齿轮轴5。
在发动机室，配设有向车宽方向延伸的转向齿轮箱6，在该转向齿轮箱6中能够自由往返移动地插入贯通并支承齿条轴7。形成于小齿轮轴5的小齿轮与形成于该齿条轴7的齿条(未图示)啮合，从而形成了齿条齿轮式的转向齿轮机构。
另外，齿条轴7的左右两端从转向齿轮箱6的端部分别伸出，在其端部介由横拉杆8连接设有前转向节9。该前转向节9能够转动自如地支承作为转向轮的左右轮10L、10R，同时还能够被车体框架转向自如地支承。因此，若操作转向盘4，使转向轴2、小齿轮轴5旋转，则通过该小齿轮轴5的旋转，齿条轴7将向左右方向移动，并通过其移动使前转向节9围绕主销轴(未图示)转动，使左右轮10L、10R向左右方向转向。
另外，在小齿轮轴5上介由辅助传动机构11连接设有电动助力转向电机(电动电机)12，通过该电动电机12进行向转向盘4施加的转向扭矩的辅助、以及达到所设定的转向角(目标转向角)的转向扭矩的附加。电动电机12是由后述转向控制部20将作为控制输出值的目标电流Icmd输出到电机驱动部21，通过电机驱动部21被驱动。应予说明，虽然转向控制部20也具备转向扭矩的辅助功能，但是在本实施方式中，关于转向扭矩的辅助功能，省略说明。
在转向控制部20上连接有用于识别行驶道路形状的前方识别装置31，所述前方识别装置31通过作为行驶道路的形状识别前方的左右白线以获取白线位置信息，另外，连接有检测车速V的车速传感器32、检测转向角θp的转向角传感器33、检测转向扭矩Td的转向扭矩传感器34。
前方识别装置31，例如可以由在车室内的顶棚前方具有一定间隔地安装并对车外对象从不同的视角进行立体摄像的1组CCD相机和处理来自该CCD相机的图像数据的立体图像处理装置所构成。
前方识别装置31的立体图像处理装置对来自CCD相机的图像数据的处理可以按如下所述进行。首先，对于用CCD相机拍摄的本车辆的行进方向的1组立体图像对，根据对应的位置的偏移量获取距离信息，并生成距离图像。
对于白线数据的识别，已知白线与道路面相比较亮度高，基于此对道路的宽度方向的亮度变化进行评价，并在图像平面上确定左右白线在图像平面中的位置。该白线在实际空间上的位置(x，y，z)是根据图像平面上的位置(i，j)及与该位置相关的算出的视差、即距离信息，利用众所周知的坐标变换式计算出的。以本车辆的位置为基准设定的实际空间的坐标系，在本实施方式中，例如图4所示，以立体相机的正中央下方的道路面为原点，将车宽方向设定为x轴，将车高方向设定为y轴，将车长方向(距离方向)设定为z轴。此时，x-z平面(y＝0)在道路平坦时与道路面一致。道路模型通过将道路上的本车辆的行驶车道在距离方向上划分为多个区间，并将各区间中的左右白线与指定白线拟合并连接而呈现出来。另外，本实施方式中，对以1组来自CCD相机的图像为基础识别行驶道路的形状的例子进行了说明，但是除此之外，也可以以来自单眼相机、彩色相机的图像信息为基础获取。
然后，转向控制部20，以上述的各输入信号为基础，基于行驶道路的形状算出通过前馈控制能够沿目标路线(本实施方式中为左侧白线和右侧白线的中间)行驶所必需的电动电机12的前馈控制量Iff、Tff。另外，根据当前的目标路线与本车位置之间的偏移可变设定预测时间T，并将经过该预测时间T后的位置作为前方注视点，为了消除在该前方注视点处的目标路线与本车辆的车辆轨迹之间的偏移，计算出根据车辆的行驶状态通过反馈控制沿目标路线行驶所需要的电动电机12的反馈控制量Ifb、Tfb。然后，以驾驶员的转向扭矩Td、前馈控制量Tff和反馈控制量Tfb为基础，计算出作为控制输入值的输入扭矩Tin，根据以该输入扭矩Tin为基础得到的电动电机基本电流值Ipsb、前馈控制量Iff和反馈控制量Ifb计算出作为控制输出值的电动电机电流值Icmd，并输出到电机驱动部21以驱动控制电动电机12。
因此，转向控制部20如图2所示主要由前馈控制部20a、预测时间设定部20b、反馈控制部20c、输入扭矩计算部20d、电动助力转向电机基本电流值设定部20e、电动助力转向电机电流值计算部20f构成。
前馈控制部20a输入由前方识别装置31所识别的图像信息。然后，例如，根据以下的(1)式，计算出沿目标路线行驶所必需的电动电机12的前馈控制量(电流值)Iff，根据以下的(2)式，计算出前馈控制量(扭矩值)Tff。
Iff＝Giff·k …(1)
Tff＝Gtff·Iff …(2)
这里，k例如表示用以下的(3)式表示的车道曲率。
k＝(kl+kr)/2 …(3)
这里，kl为左侧白线的曲率成分，kr为右侧白线的曲率成分。所述的左右白线的曲率成分kl、kr具体而言通过如图4所示那样的对于分别构成左右白线的点可以使用通过二次的最小二乘法计算得到的二次项的系数来确定。例如，使用x＝A·z2+B·z+C的二次方程式拟合白线的情况下，可将2·A的值作为曲率成分使用。应予说明，所述的左右白线的曲率成分kl、kr也可以是各自白线的曲率本身。
另外，(1)式中的Giff表示预先设定的前馈增益，(2)式中的Gtff为预先设定的扭矩换算系数。
这样，在前馈控制部20a中计算得到的前馈控制量(扭矩值)Tff输出到输入扭矩计算部20d，前馈控制量(电流值)Iff输出到电动助力转向电机电流值计算部20f。
预测时间设定部20b输入由前方识别装置31识别的图像信息。然后，如图6所示，求得当前的目标路线与本车位置之间的偏移xi，并以其偏移的绝对值∣xi∣为基础，参照预先根据实验·运算等设定好的如图5所示的特性图来设定预测时间T。
预测时间T的特性如图5所示，随着当前的目标路线与本车位置之间的偏移绝对值∣xi∣越大预测时间T被设定得越短。正如前面所述，如果缩短当前的车辆位置到前方注视点的距离或预测时间T，则变成观察车辆近前而快速追随目标路线的动作，虽然对目标路线的追随性会变好，但是由于只重视当前的横向偏差的过度操作而使得目标转向角和车辆动作变得不稳定。另一方面，若延长预测时间，则变成该预测时间后恢复至目标路线即可的动作，虽然对目标路线的追随性变得缓慢，但是不仅进行考虑到与目标路线之间的横向偏差的预测控制，还进行考虑到对目标路线的车辆的方向、和/或其变化率(横摆角速度)的预测控制，从而得到稳定的目标转向角和/或车辆动作。因此，在当前的目标路线与本车位置之间的偏移绝对值∣xi∣较大时，会变成对目标路线的追随性优先的控制，偏移绝对值∣xi∣较小时，能够进行考虑到对目标路线的车辆的方向、和/或其变化率(横摆角速度)的重视稳定性、收敛性的预测控制。出于同样的理由，行驶道路的转弯半径ρ很小时、存在迎面车辆时、在车道宽度狭窄的道路上行驶时，可以重视对目标路线的追随性而将预测时间T校正设定得更短。这样设定的预测时间T被输出到反馈控制部20c。
反馈控制部20c输入由前方识别装置31识别的图像信息，由车速传感器32输入车速V，由转向角传感器33输入转向角θp，由预测时间设定部20b输入预测时间T。然后，例如根据以下的(4)式，计算出沿目标路线行驶所必需的电动电机12的反馈控制量(电流值)Ifb，根据以下的(5)式，计算出反馈控制量(扭矩值)Tfb。
Ifb＝Gifbd·Δx+Gfbs·θ …(4)
Tfb＝Gtfb·Ifb …(5)
这里，(4)式中的第1运算数「Gifbd·Δx」的Gifbd表示车道宽度方向的反馈增益，Δx根据下述(6)式计算得到。
Δx＝(xl+xr)/2-xv ……(6)
在所述(6)式中，xv为车辆的前方注视点的z坐标上的x坐标。在本实施方式中，如图6所示，前方注视点的z坐标zv可通过例如zv＝V·T计算得到。
因此，在基于车辆的行驶状态使用车辆的各参数和/或车辆固有的稳定系数As等的情况下，前方注视点的x坐标xv例如可通过以下的(7)式算出。
xv＝(1/2)·(1/(1+As·V2))·(θp/Lw)·(V·T)2 …(7)
这里，Lw为轴距。
另外，(6)式中的xl为前方注视点的z坐标上的左侧白线的x坐标，xr为前方注视点的z坐标上的右侧白线的x坐标。因此，(4)式的第1运算数为如图6所示前方注视点与左右白线的中心点(目标路线)之间的x坐标偏差的运算数。
另外，(4)式的第2运算数「Gfbs·θ」的Gfbs表示横摆角反馈增益，θ可根据以下的(8)式计算得到。
θ＝(θtl+θtr)/2 ……(8)
即，如图7所示，θtl为根据前方识别装置31识别的图像信息得到的本车辆相对于左侧白线的倾斜度，θtr为根据前方识别装置31识别的图像信息得到的本车辆相对于右侧白线的倾斜度。另外，这些θtl、θtr可采用例如对图像信息中得到的白线的各个点通过二次的最小二乘法计算得到的一次项系数(即，将白线拟合为x＝A·z2+B·z+C式时的B值)。
因此，(4)式的第2运算数为如图7所示通过前方识别装置31识别的相对白线的本车辆行驶姿势(横摆角θ)的运算数。
另外，前述(5)式的Gtfb为预先设定的扭矩换算系数。
这样，通过反馈控制部20c计算出的反馈控制量(扭矩值)Tfb输出到输入扭矩计算部20d，反馈控制量(电流值)Ifb输出到电动助力转向电机电流值计算部20f。
输入扭矩计算部20d，由转向扭矩传感器34输入转向扭矩Td，由前馈控制部20a输入前馈控制量Tff，由反馈控制部20c输入反馈控制量Tfb。然后，例如根据以下的(9)式，计算出输入扭矩Tin，并输出到电动助力转向电机基本电流值设定部20e。
Tin＝Td+G1·(Tff+Tfb) …(9)
这里，G1为预先设定的增益。
电动助力转向电机基本电流值设定部20e，由车速传感器32输入车速V，由输入扭矩计算部20d输入输入扭矩Tin。然后，例如参照预先设定的图8所示那样的输入扭矩Tin-电动电机基本电流值Ipsb的特性图设定电动电机基本电流值Ipsb，并输出到电动助力转向电机电流值计算部20f。
电动助力转向电机电流值计算部20f，由前馈控制部20a输入前馈控制量Iff，由反馈控制部20c输入反馈控制量Ifb，由电动助力转向电机基本电流值设定部20e输入电动电机基本电流值Ipsb。然后，例如根据以下的(10)式计算出电动电机电流值Icmd，并输出到电机驱动部21。
Icmd＝Ipsb+Iff+Ifb ……(10)
如此，在本发明的实施方式中，构成为：前馈控制部20a、反馈控制部20c具有作为目标路线设定单元、车辆轨迹估计单元的功能，预测时间设定部20b、反馈控制部20c具有作为前方注视点计算单元的功能，转向控制部20具有作为控制单元的功能。
下面，关于在上述的转向控制部20中运行的车道保持控制，通过图3的流程图进行说明。
首先，在步骤(以下简称为“S”)101中，读取必要参数、即行驶道路形状、车速V、转向角θp、转向扭矩Td等。
然后，进入到S102，在前馈控制部20a中，通过前述的(1)式计算出前馈控制量(电流值)Iff。
然后，进入到S103，在前馈控制部20a中，通过前述的(2)式计算出前馈控制量(扭矩值)Tff。
然后，进入到S104，在预测时间设定部20b中，根据当前的目标路线与本车位置之间的偏移xi，参照预先根据实验·运算等设定好的如图5所示的特性图来设定预测时间T。
然后，进入到S105，在反馈控制部20c中，通过前述的(4)式计算出反馈控制量(电流值)Ifb。
然后，进入到S106，在反馈控制部20c中，通过前述的(5)式计算出反馈控制量(扭矩值)Tfb。
然后，进入到S107，在输入扭矩计算部20d中，通过前述的(9)式计算出输入扭矩Tin。
然后，进入到S108，在电动助力转向电机基本电流值设定部20e中，例如参照预先设定好的如图8所示的输入扭矩Tin-电动电机基本电流值Ipsb的特性图设定电动电机基本电流值Ipsb。
最后，进入到S109，在电动助力转向电机电流值计算部20f中，例如通过前述的(10)式，计算出电动电机电流值Icmd，并输出到电机驱动部21。
这样，本发明的实施方式中，转向控制部20基于行驶道路形状计算出通过前馈控制能够使车辆沿目标路线行驶所必需的电动电机12的前馈控制量Iff、Tff。另外，当前的目标路线与本车位置之间的偏移越大将预测时间T可变设定得越短，将经过该预测时间T后的位置作为前方注视点，为了消除在该前方注视点处的目标路线与本车辆的车辆轨迹之间的偏移根据车辆的行驶状态计算出通过反馈控制使车辆沿目标路线行驶所需要的电动电机12的反馈控制量Ifb、Tfb。然后，以驾驶员的转向扭矩Td、前馈控制量Tff和反馈控制量Tfb为基础计算出作为控制输入值的输入扭矩Tin，根据以该输入扭矩Tin为基础而得到的电动电机基本电流值Ipsb、前馈控制量Iff和反馈控制量Ifb计算出作为控制输出值的电动电机电流值Icmd。
即，如果缩短从当前车辆位置到前方注视点的距离、或预测时间T，则变成观察车辆近前而快速追随目标路线的动作，虽然对目标路线的追随性会变好，但是由于只重视当前的横向偏差的过度操作而使得目标转向角和车辆动作变得不稳定。例如图9(a)中的点划线所示，当前在远离目标路线的位置(初始位置)L1，在时刻t0开始车道保持控制的情况下，虽然车辆能够在最早的时刻t1到达目标路线，但之后，距离目标路线会越来越远，在时刻t4时，呈现距离目标路线的最大偏差，结果收敛性变差。
另一方面，如果延长预测时间，则变成该预测时间后恢复至目标路线即可的动作，虽然对目标路线的追随性变得缓慢，但是不仅进行考虑到与目标路线之间的横向偏差的预测控制，还进行考虑到对目标路线的车辆的方向、和/或其变化率(横摆角速度)的预测控制，从而得到稳定的目标转向角和/或车辆动作。例如图9(a)中的虚线所示，距离目标路线的偏差变小，能够期待相对于目标路线的收敛性的提高，但达到目标路线的时刻如t3是最晚的。
因此，在当前的目标路线与本车位置之间的偏移的绝对值∣xi∣较大时，采用对目标路线的追随性优先的控制，而偏移的绝对值∣xi∣较小时，使其能够进行考虑到对目标路线的车辆的方向、和/或其变化率(横摆角速度)的重视稳定性、收敛性的预测控制，从而使对目标路线的快速追随性和在目标路线上行驶的条件下的车辆动作的稳定性得到良好平衡(参照图9(a)的实线)。
另外，在本实施方式中，不仅对电动电机基本电流值Ipsb进行了附加电流控制，还对求得电动电机基本电流值Ipsb时的输入扭矩Tin进行了上述附加扭矩的控制，但是也可以只对电动电机基本电流值Ipsb进行附加电流控制，或者，只对求得电动电机基本电流值Ipsb时的输入扭矩Tin进行上述的附加扭矩的控制。

Claims (4)

1.一种车辆的驾驶辅助控制装置，其特征在于，包含：
目标路线设定单元，用于设定本车辆应行驶的目标路线；
车辆轨迹估计单元，用于估计本车辆的车辆轨迹；
前方注视点计算单元，基于预测时间和本车辆的车速，将经过所述预测时间后的本车辆的位置作为前方注视点算出，所述预测时间随着当前的所述目标路线与本车位置之间的偏移越大可变设定得越短；
控制单元，用于至少根据所述前方注视点处的所述目标路线与所述估计的本车辆的车辆轨迹之间的偏移控制本车辆，以使本车辆沿目标路线行驶，
所述前方注视点计算单元随着行驶车道的转弯半径越小将所述预测时间设定得越短。
2.根据权利要求1所述的车辆的驾驶辅助控制装置，其特征在于，所述前方注视点计算单元随着行驶车道的车道宽度越窄将所述预测时间设定得越短。
3.根据权利要求1或2所述的车辆的驾驶辅助控制装置，其特征在于，所述前方注视点计算单元在行驶车道上存在迎面车的情况下将所述预测时间设定得较短。
4.根据权利要求1或2所述的车辆的驾驶辅助控制装置，其特征在于，所述控制单元用于控制电动助力转向电机。
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