JP2006315514A - 車両の操舵制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の前方の道路状態及び走行状態に基づいて、操舵制御のための制御則を適切に切り替えることが可能な車両の操舵制御装置を提供する。
【解決手段】 車両の操舵制御装置は、車両の前輪及び後輪を各々独立に操舵制御する。前方道路状態認識手段と、走行状態検出手段により、制御則変更手段は、推定された走行路に基づいて、前輪の操舵角及び後輪の操舵角を制御するための制御則を変更する。具体的には、制御則変更手段は、走行路が直線道路又は高速走行可能な道路である場合には、車体横加速度とハンドル角とが比例関係になる制御則に変更する。これにより、車線変更などの横移動を行う際の、ハンドル操作に対する横加速度の立ち上がりを早くすることができると共に、ヨーレートを小さくすることができる。したがって、上記の車両の操舵制御装置によれば、横移動を行う際の安定性や移動性能を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両の操舵制御装置に関する。

従来より、前輪と後輪の操舵角を独立に制御可能な車両の操舵制御装置が知られている。例えば、特許文献１には、車速が所定速度以上のときに後輪舵角の制御に代えて空力特性の制御へと切り替える技術が記載されている。特許文献２には、車両が走行レーンから逸脱しそうな場合、後輪舵角制御則を補正する技術が記載されている。更に、特許文献３には、障害物を認識して後輪舵角制御則を変更する技術が記載されている。

特開平５−７７７５４号公報 特開平１１−９１６０７号公報 特開２０００−３３９５９６号公報

しかしながら、上記した特許文献１乃至３に記載された技術では車速のみに基づいて制御を行っており、車両の走行状態などに基づいて、操舵制御に係る制御則の切り替えが適切に実行されていなかった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、車両の前方の道路状態及び走行状態に基づいて、操舵制御のための制御則を適切に切り替えることが可能な車両の操舵制御装置を提供することにある。

本発明の１つの観点では、車両の操舵制御装置は、自車両の前方の道路状態を認識する前方道路状態認識手段と、前記自車両の走行状態を検出する走行状態検出手段と、前記道路状態と前記走行状態に基づいて前記自車両が走行している走行路を推定し、推定された前記走行路に基づいて、前輪の操舵角及び後輪の操舵角を制御するための制御則を変更する制御則変更手段と、を備える。

上記の車両の操舵制御装置は、車両の前輪及び後輪を各々独立に操舵制御するために好適に用いられる。前方道路状態認識手段は、自車両の前方の道路状態を認識し、走行状態検出手段は、自車両の走行状態を検出する。そして、制御則変更手段は、認識された道路状態と検出された走行状態に基づいて自車両が走行している走行路を推定し、推定された走行路に基づいて、前輪の操舵角及び後輪の操舵角を制御するための制御則を変更する。
上記の車両の操舵制御装置によれば、車両の走行状態及び道路状態などに適した操舵制御を実行し、自車両が走行している走行路に適した走行を行うことが可能となる。

上記の車両の操舵制御装置の一態様では、前記制御則変更手段は、前記推定した走行路が直線道路又は高速走行可能な道路である場合には、前記自車両の車体横加速度とハンドル角とが比例関係になる制御則に変更する。

この態様では、制御則変更手段は、推定した走行路が直線道路又は高速走行可能な道路である場合には、車両の車体横加速度がハンドル角に比例するような制御則に変更する。これにより、車線変更などの横移動を行う際の、ハンドル操作に対する横加速度の立ち上がりを早くすることができると共に、発生するヨーレートを小さくすることができる。したがって、上記の車両の操舵制御装置によれば、横移動などを行う際の安定性や移動性能を向上させることができる。

上記の車両の操舵制御装置において好適には、前記前方道路状態認識手段は、道路上の白線に基づいて前記道路状態を認識することができる。例えば、前方道路状態認識手段は、道路上の白線が直線であるか又は曲線であるかを判別して、直線が主である道路であるか、或いはカーブの多い道路であるかなどを認識する。

更に、上記の車両の操舵制御装置において好適には、前記走行状態検出手段は、前記自車両の車速に基づいて前記走行状態を検出することができる。これにより、制御則変更手段は、高速走行可能な走行路であるかを推定することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［車両の構成］
まず、本発明の実施形態に係る操舵制御装置が適用された車両の全体構成について、図１を用いて説明する。

図１は、車両の概略構成を示す模式図である。なお、図１は、上方から車両を観察した図であり、左が車両の前で、右が車両の後ろを示している。

車両は、主に、エンジン１と、前輪２ｆＲ、２ｆＬと、後輪２ｒＲ、２ｒＬと、前輪用操舵シャフト３ｆと、後輪用操舵シャフト３ｒと、ハンドル４と、ハンドル角センサ５と、車速センサ６と、前輪用アクチュエータ７ｆと、後輪用アクチュエータ７ｒと、白線認識カメラ８と、システムコントローラ１０と、を備える。なお、以下の説明では、左右対称に配置された構成要素については、左右の区別が必要な場合は符号に「Ｌ」、「Ｒ」を付し、左右の区別が不要な場合は「Ｌ」、「Ｒ」を省略する。

エンジン１は、燃焼室内の混合気を爆発させて、動力を発生する内燃機関である。エンジン１によって発生した動力は、図示しないトルクコンバータやトランスミッションやドライブシャフトなどを介して、前輪２ｆ及び後輪２ｒの少なくともいずれかに伝達される。

前輪２ｆは、前輪用操舵シャフト３ｆを介して前輪用アクチュエータ７ｆによって操舵角（操舵量）が制御される。後輪２ｒは、後輪用操舵シャフト３ｒを介して後輪用アクチュエータ７ｒによって操舵角が制御される。即ち、前輪２ｆ及び後輪２ｒは、各々独立に操舵角が制御される（即ち、個別に転舵される）。

ハンドル４は、運転者が車両を旋回させるために操作され、運転者による操舵力はステアリングシャフトを介して前輪用アクチュエータ７ｆに伝達される。運転者によるハンドル４を回転させた角度（ハンドル角）は、ハンドル角センサ５によって検出される。そして、ハンドル角センサ５が検出したハンドル角は、システムコントローラ１０に検出信号Ｓ１として出力される。また、車速センサ６は車両の速度を検出し、検出した車速を検出信号Ｓ２としてシステムコントローラ１０に出力する。

前輪用アクチュエータ７ｆ及び後輪用アクチュエータ７ｒは、システムコントローラ１０によって決定された操舵角を制御信号Ｓ３ｆ、Ｓ３ｒとして取得する。そして、前輪用アクチュエータ７ｆ及び後輪用アクチュエータ７ｒは、前輪用操舵シャフト３ｆと後輪用操舵シャフト３ｒを介して、取得した操舵角によって前輪２ｆ及び後輪２ｒをそれぞれ操舵する。

白線認識カメラ８は、車両の前方の道路を撮影し、撮影した映像を解析することによって、車両の前方の道路上に存在する白線を認識する。そして、白線認識カメラ８は、道路上における白線の情報を信号Ｓ４としてシステムコントローラ１０に出力する。

このように、ハンドル角センサ５及び車速センサ６は、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段として機能し、白線認識カメラ８は、車両の前方の道路状態を検出する前方道路状態認識手段として機能する。

システムコントローラ１０は、所謂ＥＣＵ（Electric Control Unit）などによって構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイスなどを有している。システムコントローラ１０は、各種センサから取得する情報に基づいて、前輪２ｆ及び後輪２ｒの操舵角を決定する処理を行う。具体的には、システムコントローラ１０は、取得したハンドル角、車速、及び道路上の白線の情報に基づいて、操舵制御のための制御則を切り替えて、前輪２ｆ及び後輪２ｒに対する操舵制御を実行する。即ち、システムコントローラ１０は、道路状態と走行状態に基づいて自車両が走行する走行路を推定し、推定された走行路に基づいて前輪２ｆの操舵角及び後輪２ｒの操舵角を制御するための制御則を変更する制御則変更手段として機能する。

［システムコントローラの構成］
ここで、前述したシステムコントローラ１０の具体的な構成について、図２を用いて説明する。

図２は、システムコントローラ１０の概略構成を示すブロック図である。システムコントローラ１０は、制御則変更部１２と、操舵角算出部１３と、前輪操舵角指令値送信部１４ｆと、後輪操舵角指令値送信部１４ｒと、を備える。

制御則変更部１２は、ハンドル角センサ５から供給されるハンドル角、車速センサ６から供給される車速、及び白線認識カメラ１５から供給される白線の情報を取得する。即ち、制御則変更部１２は、車両の走行状態及び前方の道路状態を取得する。制御則変更部１２は、これらの取得した情報に基づいて車両が現在走行している走行路を推定する。例えば、制御則変更部１２は、走行路が直線道路であるか、又は走行路がカーブであるか、或いは高速走行可能な道路であるか、などを推定する。そして、制御則変更部１２は、推定した走行路に基づいて、前輪２ｆの操舵角及び後輪２ｒの操舵角を制御するための制御則を変更する。制御則変更部１２は、変更した制御則に対応する信号Ｓ１２を操舵角算出部１３に供給する。

操舵角算出部１３は、制御則変更部１２から供給される制御則に基づいて、前輪２ｆに対して設定すべき操舵角（以下、「前輪操舵角」と呼ぶ。）、及び後輪２ｒに対して設定すべき操舵角（以下、「後輪操舵角」と呼ぶ。）を算出する。そして、操舵角算出部１３は、算出した前輪操舵角を信号Ｓ１３ｆとして前輪操舵角指令値送信部１４ｆに供給すると共に、算出した後輪操舵角を信号Ｓ１３ｒとして後輪操舵角指令値送信部１４ｒに供給する。

前輪操舵角指令値送信部１４ｆは、取得した前輪操舵角に対応する指令値Ｓ３ｆを前輪用アクチュエータ７ｆに供給する。また、後輪操舵角指令値送信部１４ｒは、取得した後輪操舵角に対応する指令値Ｓ３ｒを後輪用アクチュエータ７ｒに供給する。そして、前輪用アクチュエータ７ｆは、取得した前輪操舵角によって前輪２ｆを操舵し、後輪用アクチュエータ７ｒは、取得した後輪操舵角によって後輪２ｒを操舵する。

このように、本実施形態に係る操舵制御装置では、車両の走行状態及び道路状態を考慮に入れて制御則を変更し、この制御則に基づいて操舵制御する。これにより、車両の走行状態及び道路状態などに適した走行が可能となる。

［制御則の具体例］
次に、前述した制御則変更部１２が設定する制御則について、具体的に説明する。

制御則変更部１２は、前述したように、前方の道路状態及び車両の走行状態に基づいて走行路を推定する。具体的には、制御則変更部１２は、車速と前方の白線の状態（例えば、白線が直線であるか曲線であるか否かなど）に基づいて、現在走行中の走行路を推定する。そして、制御則変更部１２は、推定した走行路が、第１走行路であるか、或いは第２走行路であるかを判定する。第１走行路は、直線道路又は高速走行可能な道路（例えば、高速道路など）である。一方、第２走行路は、高速走行可能な道路ではなく、ある程度大きな旋回を必要とするカーブを含む道路（例えば、一般道路など）である。

そして、制御則変更部１２は、推定された走行路が第１走行路である場合には、第１制御則を選択し、推定された走行路が第２走行路である場合には、第２制御則を選択する。即ち、制御則変更部１２は、第１制御則と第２制御則との間で制御則を切り替える。

第１制御則は、横移動（例えば、車線変更（レーンチェンジ））での安定性やすばやい横移動を行うことを可能にする制御則である。具体的には、第１制御則では、車体横加速度がハンドル角に比例するような操舵制御が行われる。一方、第２制御則は、車両を常に同じ姿勢によって旋回可能にする制御則である。具体的には、第２制御則では、旋回時における車体スリップ角が「０」となるような操舵制御が行われる。

（第１制御則）
ここで、第１制御則の基本概念について説明する。

まず、第１制御則の詳細を説明する前に、旋回時の車両に発生する車体スリップ角β、ヨーレートγ、及び車体横加速度Ｙgについて説明する。

車体スリップ角βは、スリップ角ゲインＧ_βを用いて式（１）で表され、ヨーレートγは、ヨーレートゲインＧ_γを用いて式（２）で表される。なお、「ｓ」はラプラス演算子を示し、「δ」はハンドル角を示し、「Ｔ」は時定数を示す。

β(s)/δ(s)＝Ｇ_β/(１＋Ｔ×s) 式（１）
γ(s)/δ(s)＝Ｇ_γ/(１＋Ｔ×s) 式（２）
また、旋回中の車体横加速度Ｙgは、一般的に、車体スリップ角β、ヨーレートγ、及び車速Ｖを用いて式（３）で表される。

Ｙg(s)/δ(s)＝Ｖ×｛s×β(s)/δ(s)＋γ(s)/δ(s)｝ 式（３）
次に、第１制御則において用いる条件式について説明する。第１制御則では車体横加速度がハンドル角に比例するようにするため、上記の式（１）で表される車体スリップ角βを、ヨーレートγ及びヨーレートゲインＧ_γを用いて表す。即ち、車体スリップ角βとヨーレートγとの間に、以下の条件式（４）が成立するようにする。

β(s)/δ(s)＝Ｇ_β/(１＋Ｔ×s)
＝Ｔ×γ(s)/δ(s)
＝Ｇ_γ×Ｔ/(１＋Ｔ×s) 式（４）
この場合、上記の式（４）を式（３）に代入することにより、車体横加速度Ｙgは、以下の式（５）によって表される。

Ｙg(s)/δ(s)＝Ｇ_γ×Ｖ 式（５）
式（５）より、車体横加速度Ｙgは、変数がヨーレートゲインＧ_γのみによって表されている。通常、ヨーレートゲインＧ_γは「Ｇ_γ＝γ／ＭＡ」（「ＭＡ」はハンドル角を示す）で表されるため、式（５）は、車体横加速度Ｙgとハンドル角とが比例関係を満たすことを示している。

以上から、車両の車体スリップ角βとヨーレートγが条件式（４）を満たすように操舵制御することにより、車体横加速度がハンドル角に比例するようになる。したがって、第１制御則に基づいて操舵制御を行うことにより、車両が横移動などを行う際の、安定性や移動性能を向上させることができる。

（第２制御則）
次に、第２制御則の基本概念について説明する。

第２制御則では、車両を常に同じ姿勢によって旋回可能にするために、車体スリップ角βが「０」となるように制御する。即ち、第２制御則では、車体スリップ角βが以下の条件式（６）を満たすようにする。

β(s)/δ(s)＝Ｇ_β/(１＋Ｔ×s)＝０ 式（６）
この場合、上記の式（６）を式（３）に代入することにより、車体横加速度Ｙgは、以下の式（７）によって表される。

Ｙg(s)/δ(s)＝Ｖ×Ｇ_γ/(１＋Ｔ×s) 式（７）
以上のように、車両の車体スリップ角βが条件式（６）を満たすように、即ち車体スリップ角βが「０」となるように操舵制御することにより、車両は常に同じ姿勢によって旋回することができる。したがって、第２制御則に基づいて操舵制御を行うことにより、旋回時における車両の安定性を向上させることが可能となる。

［操舵角の算出方法］
操舵角算出部１３は、上記のようにして制御則変更部１２によって選択された制御則に基づいて前輪操舵角δｆと後輪操舵角δｒを算出する。具体的には、操舵角算出部１３は、前後輪アクティブ操舵の理論に基づいて、以下の式（８）を用いて前輪操舵角δｆを算出すると共に、以下の式（９）を用いて後輪操舵角δｒを算出する。

なお、上記の式（８）と式（９）中において、「ｍ」は車両の質量を示し、「Ｌ」は車両のホイールベースを示し、「Ｌｆ」は車両の重心Ｇから前輪２ｆのドライブシャフトまでの距離を示し、「Ｌｒ」は重心Ｇから後輪２ｒのドライブシャフトまでの距離を示し、「Ｋｆ」は前輪２ｆのコーナリングパワーを示し、「Ｋｒ」は後輪２ｒのコーナリングパワーを示し、「Ｉ」はヨー方向の慣性モーメントを示している。

操舵角算出部１３は、制御則が第１制御則に設定されている場合には、条件式（４）を式（８）及び式（９）に代入することにより、前輪操舵角δｆと後輪操舵角δｒを算出する。一方、操舵角算出部１３は、制御則が第２制御則に設定されている場合には、条件式（６）を式（８）及び式（９）に代入することにより、前輪操舵角δｆと後輪操舵角δｒを算出する。

［第１制御則による車両挙動］
次に、第１制御則に基づいて操舵制御したときの車両挙動について説明する。

図３は、車両が横移動したときに、車両が通過した軌道を示す図である。図３は、車両が距離Ｌｙだけ横移動したときの様子を上方から観察した図である（白抜き矢印は、車両の進行方向を示す）。図３（ａ）は、第１制御則によって操舵制御したときの車両が通過した軌道を示し、図３（ｂ）は第２制御則によって操舵制御したときの軌道を示す。

図３（ａ）より、第１制御則によって操舵制御された車両は、距離Ｌｙだけ横移動する際に、実線２１で示すような軌道を通過する。この場合、車両は、距離Ｌｙだけ横移動する間に、前方に距離Ｌａだけ進んでいる。一方、第２制御則によって操舵制御された車両は、距離Ｌｙだけ横移動する際に、実線２２で示すような軌道を通過する。この場合、車両は、距離Ｌｙだけ横移動する間に、前方に距離Ｌｂ（Ｌｂ＞Ｌａ）だけ進んでいる。

即ち、第２制御則に基づいて操舵制御するよりも、第１制御則に基づいて操舵制御したほうが、車両が距離Ｌｙだけ横移動する間に前方に進む距離が短いことがわかる。したがって、第１制御則によって操舵制御することにより、車両に対してすばやい横移動を行わせることができる。これにより、第１制御則によれば、障害物などが車両の前方に出現したときの回避性能が向上する。

図４は、第１制御則に基づいて操舵制御したときの車両挙動の具体例を示す図である。図４において、実線は第１制御則に基づいて操舵制御（前輪２ｆ及び後輪２ｒに対して操舵制御）を行ったときの車両挙動を示し、破線は比較例に係る操舵制御を行ったときの車両挙動を示している。比較例に係る操舵制御では、前輪２ｆのみを操舵し、後輪２ｒは操舵していない。また、図４では、同一の距離を横移動したとき（即ち、車線変更したとき）の車両挙動を示している。

図４（ａ）は、横移動したときのハンドル角の変化について示している。この場合、横軸に時間を示し、縦軸にハンドル角を示している。図４（ａ）より、第１制御則に基づく操舵制御と比較例に係る操舵制御とを比較すると、第１制御則に基づく操舵制御によれば、同一の距離を横移動するために要するハンドル角が小さいことがわかる。即ち、第１制御則によれば、車線変更などする際に、運転者によるハンドル４の操作量が少なくて済む。

図４（ｂ）は、横移動したときに発生する車体横加速度を示している。この場合、横軸に時間を示し、縦軸に車体横加速度を示している。図４（ｂ）より、第１制御則に基づく操舵制御と比較例に係る操舵制御とを比較すると、第１制御則に基づく操舵制御によれば、車体横加速度の立ち上がりが早いことがわかる。即ち、第１制御則に基づく操舵制御によれば、すばやい横移動が可能となる。

図４（ｃ）は、横移動したときに発生するヨーレートを示している。この場合、横軸に時間を示し、縦軸にヨーレートを示している。図４（ｃ）より、第１制御則に基づく操舵制御と比較例に係る操舵制御とを比較すると、第１制御則に基づく操舵制御によれば、横移動時に発生するヨーレートが小さいことがわかる。これにより、横移動時の車体における首振りが小さくなる。したがって、第１制御則に基づく操舵制御によれば、安定した横移動が可能となる。

以上により、第１制御則に基づいて操舵制御を実行することにより、例えば高速走行時において、小さなハンドル角によってすばやい横移動ができると共に、ヨーレートが小さく車体の首振りが少ない、安定した車線変更を行うことができる。

なお、上記では、車両の前方の道路状態（白線検知）と走行状態（車速）に基づいて走行路を推定する例について示したが、車両の速度とそのときのハンドル角の２つを検出し、これらの検出された値に基づいて走行路を推定してもよい。これにより、走行路の種別を検出する精度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る操舵制御装置が適用された車両の概略構成を示す模式図である。 システムコントローラの概略構成を示すブロック図である。 車両が横移動したときに、車両が通過した軌道を示す図である。 第１制御則に基づいて操舵制御したときの車両挙動を示す図である。

符号の説明

１ エンジン
２ｆ 前輪
２ｒ 後輪
４ ハンドル
５ ハンドル角センサ
６ 車速センサ
８ 白線認識カメラ
７ｆ 前輪用アクチュエータ
７ｒ 後輪用アクチュエータ
１０ システムコントローラ
１２ 制御則変更部
１３ 操舵角算出部

Claims (4)

1. 自車両の前方の道路状態を認識する前方道路状態認識手段と、
   前記自車両の走行状態を検出する走行状態検出手段と、
   前記道路状態と前記走行状態に基づいて前記自車両が走行している走行路を推定し、推定された前記走行路に基づいて、前輪の操舵角及び後輪の操舵角を制御するための制御則を変更する制御則変更手段と、を備えることを特徴とする車両の操舵制御装置。
2. 前記制御則変更手段は、前記推定した走行路が直線道路又は高速走行可能な道路である場合には、前記自車両の車体横加速度とハンドル角とが比例関係になる制御則に変更することを特徴とする請求項１に記載の車両の操舵制御装置。
3. 前記前方道路状態認識手段は、道路上の白線に基づいて前記道路状態を認識することを特徴とする請求項１又は２に記載の車両の操舵制御装置。
4. 前記走行状態検出手段は、前記自車両の車速に基づいて前記走行状態を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の車両の操舵制御装置。
   

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