JP2009113558A - 車両制御装置及び車両制御方法 - Google Patents

車両制御装置及び車両制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】制御系の能力を発揮させつつ、適切な走行制御が行える車両制御装置及び車両制御方法を提供すること。
【解決手段】予め設定された走行目標に従い車両走行をフィードバック制御し、そのフィードバック制御において車両の走行軌跡が逸脱している場合（Ｓ１４）、タイヤ摩擦円を超えている場合（Ｓ１６）又は車両の加速度、ジャークが設定値を超えている場合（Ｓ１８）には、制御偏差が設定値を超えているとして、走行目標を再生成する（Ｓ２０）。これにより、制御偏差が設定値を超えるまで制御系の能力を十分に発揮して走行制御を行うことができ、制御偏差が設定値を超えた場合に走行目標を再生成して走行環境に応じた適切な走行制御が行える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車両の走行制御などを行う車両制御装置及び車両制御方法に関するものである。
従来、移動体の移動制御などを行うものとして、例えば特開２００４−４２１４８号公報に記載されるように、移動ロボットを計画した経路に沿って自律的に移動させるものであって、計画した経路に障害物を検出した場合にその障害物を回避するように経路を再計画するものが知られている。
特開２００４−４２１４８号公報
この種の制御装置及び制御方法は、計画通りの移動走行が行えない場合に再計画を行うものであるが、移動体が移動走行中に外乱を受けて経路を外れそうになる場合などにすぐに再計画を行ってしまうと、フィードバック制御などを含めた制御系の本来の能力を発揮することができないという問題点がある。
そこで本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、制御系の能力を発揮させつつ、適切な走行制御が行える車両制御装置及び車両制御方法を提供することを目的とする。
すなわち本発明に係る車両制御装置は、予め設定された走行目標に従い車両走行をフィードバック制御する走行制御手段と、前記走行制御手段のフィードバック制御における制御偏差が設定値を超えているか否かを判断する判断手段と、前記判断手段により制御偏差が設定値を超えていると判断された場合に、走行目標を再生成する目標再生成手段とを備えて構成されている。
この発明によれば、走行目標に従って車両走行をフィードバック制御し、そのフィードバック制御における制御偏差が設定値を超えている場合に走行目標を再生成する。これにより、制御偏差が設定値を超えるまで制御系の能力を十分に発揮して走行制御を行うことができ、制御偏差が設定値を超えた場合に走行目標を再生成して走行環境に応じた適切な走行制御が行える。
また本発明に係る車両制御装置において、前記判断手段は、車両走行の安全性を確保可能な値として設定値を設定し、その設定値を前記走行制御手段のフィードバック制御における制御偏差が超えているか否かを判断することが好ましい。
また本発明に係る車両制御装置において、前記判断手段は、前記走行制御手段のフィードバック制御における制御偏差として車両の位置、車両の挙動、車両の加速度又はジャークのうち少なくとも一つが設定値を超えているか否かを判断することが好ましい。
また本発明に係る車両制御方法は、予め設定された走行目標に従い車両走行をフィードバック制御する走行制御ステップと、前記走行制御ステップのフィードバック制御における制御偏差が設定値を超えているか否かを判断する判断ステップと、前記判断ステップにおいて制御偏差が設定値を超えていると判断された場合に、走行目標を再生成する目標再生成ステップとを備えて構成されている。
この発明によれば、走行目標に従って車両走行をフィードバック制御し、そのフィードバック制御における制御偏差が設定値を超えている場合に走行目標を再生成する。これにより、制御偏差が設定値を超えるまで制御系の能力を十分に発揮して走行制御を行うことができ、制御偏差が設定値を超えた場合に走行目標を再生成して走行環境に応じた適切な走行制御が行える。
本発明によれば、制御系の能力を十分に発揮させつつ、適切な走行制御が行える。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１に本発明の実施形態に係る車両制御装置の構成概要図を示す。
図１に示すように、本実施形態に係る車両制御装置は、車両に搭載され、その車両の走行制御を行うものであり、自動運転システムに適用される。車両制御装置１は、ＥＣＵ２を備えている。ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２は、車両制御装置１の装置全体の制御を行う電子制御ユニットであり、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されている。図１では、ＥＣＵ２の機能的な構成を示しており、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどの構成部品の図示を省略している。
このＥＣＵ２は、予め設定された走行目標に従って車両走行をフィードバック制御する走行制御手段として機能する。また、ＥＣＵ２は、車両の走行制御における制御偏差が設定値を超えているか否かを判断する判断手段として機能する。さらに、ＥＣＵ２は、制御偏差が設定値を超えていると判断された場合に走行目標を再生成する目標再生成手段として機能する。
ＥＣＵ２には、制御目標生成部２１、目標追従制御部２２、状態量推定部２３、再生成判定部２４及び運動制御部２５が設けられている。これらの制御目標生成部２１、目標追従制御部２２、状態量推定部２３、再生成判定部２４及び運動制御部２５は、例えばＥＣＵ２内のＣＰＵにプログラムを導入して機能させてもよいし、個々の機能を有するハードウェアを設けて構成してもよい。
制御目標生成部２１は、車両の走行目標を生成する走行目標生成手段として機能するものであり、例えば車両の走行軌跡及び車両の速度パターンを生成する。車両の走行軌跡は、例えばナビゲーションシステム３に記録される道路情報及び予め設定される道路経路又は目的地に基づいて生成される。車両の速度パターンは、例えば車両情報に基づいて生成される。この場合の車両情報としては、例えば車両加速性能、車両減速性能、車重、許容最大加速度、許容最大減速度、許容最大ジャーク、最高速度、最大横加速度、最大ハンドル角速度、最小定常速度、最小定常加速度、最小定常ジャーク、緊急ブレーキ性能、速度制御誤差、位置制御誤差などが用いられる。また、車両の速度パターンは、目的地までの到達時間、車両の燃費などを考慮して生成することが好ましい。
また、制御目標生成部２１は、再生成判定部２４によりフィードバック制御の走行目標の再生成が必要であると判断された場合に、その走行目標を再生成する目標再生成手段としても機能する。
目標追従制御部２２は、車両走行が走行目標に追従するようにフィードバック制御を行う目標追従制御手段として機能するものであり、例えば制御目標生成部２１により生成された走行目標に従って車両が走行するように追従制御を行うものである。制御目標生成部２１により生成された走行目標と状態量推定部２３により推定された車両状態及び走行環境状態を入力し、その走行目標と車両走行状態を比較して制御偏差を低減するように運動制御部２５を介して車両走行部６に制御信号を出力する。この目標追従制御部２２としては、例えばＬＱＩ制御又はＰＩＤ制御を用いた制御系を構築して構成すればよい。
状態量推定部２３は、車両状態及び車両の走行環境状態を推定するものであり、例えばナビゲーションシステム３、車両状態センサ４、レース認識センサ５などの情報に基づいて車両の位置推定、路面μの推定、車両のヨーレートの推定などを行う。
再生成判定部２４は、車両走行におけるフィードバック制御の制御偏差が設定値を超えているか否かを判断するものであり、フィードバック制御の制御偏差が設定値を超えている場合に走行目標の再生成を制御目標生成部２２に再生成指令信号を出力する。
この再生成判定部２４には、例えば車両の位置、速度、加速、ジャーク、ヨーレートなどの車両状態に関する設定値が設定され、フィードバック制御における制御偏差が設定値を超えている場合に走行目標の再生成が必要であると判断される。制御偏差が設定値を超えたか否かの判断は、制御偏差が設定値を一度超えた場合のみならず、所定時間内に所定回数を超えた場合又は連続して所定回数を超えた場合に制御偏差が設定値を超えたと判断することが好ましい。また、この設定値は、車両走行の安全性を確保できる値が設定されることが好ましい。例えば、車両の位置に関する設定値においては目標位置から走行安全性が確保可能な限界値として設定値が設定され、車両の速度、加速度、ジャークに関する設定値においては車両状況に応じて走行安全性が確保可能な限界値としてそれぞれ設定値が設定される。
運動制御部２５は、車両走行部６に対し駆動制御信号を出力して車両走行を制御するものである。例えば、この運動制御部２５は、目標追従制御部２２から出力される制御指令信号を受けて駆動制御信号を出力する。
ナビゲーションシステム３は、車両が走行する道路情報を記憶し、車両の位置を検出する機能を備えるものであり、ＥＣＵ２に対し車両の位置情報を出力する。車両状態センサ４は、車両の車速情報、車両のヨーレート情報を取得するセンサであり、車速センサ、ヨーレートセンサなどによって構成される。
レーン認識センサ５は、道路の車線に対する車両位置情報を取得するセンサであり、例えば撮像装置及びその撮像画像を画像処理装置により構成されるものが用いられる。このレーン認識センサ５の検出信号は、ＥＣＵ２に入力される。
車両走行部６は、車両走行を行うものであり、例えば操舵制御用ＥＣＵ、加減速制御ＥＣＵなどにより構成される。この車両走行部６は、ＥＣＵ２からの駆動制御信号を受けて適宜操舵アクチュエータ、エンジンのスロットルアクチュエータ、ブレーキアクチュエータなどに駆動信号を出力する。
次に、本実施形態に係る車両制御装置の動作及び本実施形態に係る車両制御方法について説明する。
本実施形態に係る車両制御装置は、ＥＣＵ２にて生成された走行目標に従って車両が走行するようにフィードバック制御を行う。走行目標としては、例えば目標走行軌跡及び目標速度パターンが設定される。車両の走行状態は、ナビゲーションシステム３、車両状態センサ４及びレーン認識センサ５により随時検出される。ＥＣＵ２は、走行目標に従って車両が走行しているか否かを確認し、車両の走行状態が走行目標に対しズレ（制御偏差）を生じている場合には、それを低減するように車両走行部６に駆動制御信号を出力する。
そして、フィードバック制御における外乱により走行目標に従った車両走行が行えず、そのフィードバック制御における制御偏差が設定値を超えている場合には、新たな走行目標を再生成し、その新たな走行目標に従ったフィードバック制御を実行して車両走行を行う。
その際、フィードバック制御における制御偏差が設定値を超えているか否かは、ＥＣＵ２に構築される車両モデルにより予測することが好ましい。すなわち、車両モデルに予測される外乱を適用し、将来の車両走行状態を推測し、その際の制御偏差が設定値を超えているかを判断し、制御偏差が設定値を超えている場合に新たな走行目標を生成する。
図２に本実施形態に係る車両制御装置の動作及び本実施形態に係る車両制御方法の一例を示すフローチャートを示す。この図２の制御処理は、例えばＥＣＵ２により所定の周期で繰り返し実行される。
まず、図２のＳ１０に示すように、外乱予測処理が行われる。外乱予測処理は、車両走行制御における外乱を予測する処理である。例えば、過去の制御偏差の平均値が求められ、定常外乱ｂとして設定される。そして、この制御偏差の平均変化量が求められ、増加外乱ａとして設定される。このとき、過去の制御偏差としては、過去の制御周期の複数回分（例えば５回分）の制御偏差が用いられる。そして、時刻ｔにおける外乱の予測値Ｅｒｒ（ｔ）が次に式（１）により算出される。
Ｅｒｒ（ｔ）＝ａ・ｔ＋ｂ …（１）
そして、Ｓ１２に移行し、走行軌跡予測処理が行われる。走行軌跡予測処理は、外乱を受けた場合の車両の走行軌跡を予測する処理である。例えば、Ｓ１０にて予測した外乱値Ｅｒｒ（ｔ）を受けた場合の車両の走行軌跡が予測される。この予測処理は、ＥＣＵ２に設定される操舵制御系、道路線形などを用いた制御シミュレーションにより行えばよい。
そして、Ｓ１４に移行し、車両が道路から逸脱したか否かが判断される。例えば、車両の走行軌跡が道路の車線から逸脱している場合に車両が道路から逸脱したと判断される。このＳ１４にて車両が道路から逸脱していないと判断された場合には、車両挙動の前後、左右Ｇがタイヤ摩擦円を超えているか否かが判断される（Ｓ１６）。例えば、車両の前後方向の加速度及び左右方向の加速度が予め設定されるタイヤ摩擦円を超えるものであるか否かが判断される。車両挙動の前後、左右Ｇがタイヤ摩擦円を超えているか否かの判断は、車両の挙動状態が設定値を超えているか否かを判断する場合の一例を示すものである。
Ｓ１６にて車両挙動の前後、左右Ｇがタイヤ摩擦円を超えていないと判断された場合には、車両の加速度又はジャークが設定値を超えるものであるか否かが判断される（Ｓ１８）。例えば、車両の前後方向及び左右方向の加速度又はジャークが予め設定される設定値を超えるものであるか否かが判断される。
Ｓ１８にて車両の加速度又はジャークが設定値を超えるものでないと判断された場合には、走行目標を新たに再生成することなく、一連の制御処理を終了する。
ところで、Ｓ１４にて車両が道路から逸脱していると判断された場合、Ｓ１６にて車両挙動の前後、左右Ｇがタイヤ摩擦円を超えていると判断された場合、又はＳ１８にて車両の加速度又はジャークが設定値を超えるものであると判断された場合には、フィードバック制御における制御偏差が設定値を超えており走行目標の再生成が必要であると判断され、走行目標の再生成処理が行われる（Ｓ２０）。
走行目標の再生成処理は、車両走行のフィードバック制御の目標値となる走行目標を再生成する処理である。この再生成処理は、制御目標生成部２１により行われ、例えば現状の走行目標と異なる車両の走行軌跡、速度パターンが走行目標として生成される。そして、この新たな走行目標に従うように走行制御が行われる。Ｓ２０の処理を終えたら、一連の制御処理を終了する。
以上のように本実施形態に係る車両制御装置及び車両制御方法によれば、走行目標に従って車両走行をフィードバック制御し、そのフィードバック制御における制御偏差が設定値を超えている場合に走行目標を再生成する。これにより、制御偏差が設定値を超えるまで制御系の能力を十分に発揮して走行制御を行うことができ、制御偏差が設定値を超えた場合に走行目標を再生成して走行環境に応じた適切な走行制御が行える。
例えば、所定周期で走行目標を再生成して制御を行う装置にあっては、フィードバック制御系の能力を十分に発揮することができず、先に設定した走行目標に沿って走行制御することが困難である。これに対し、本実施形態に係る車両制御装置では、走行目標に従ったフィードバック制御を基本制御とすることにより、先に設定した走行目標に沿って走行制御することが可能である。
そして、外乱などによりフィードバック制御では走行目標に沿った走行が困難となった場合に、走行目標を再生することにより安定した状態で車両走行が可能となる。例えば、先の走行目標では制御動作できなかった場合でも、新たな走行目標を再生成することにより動作条件が緩和されて適切な走行が可能となる。
図３は、本実施形態に係る車両制御装置の動作の具体例を示した図である。
図３に示すように、車両５１が走行目標となる目標軌跡５２に沿って走行している場合に、横風Ｗを受けると、車両５１の走行位置Ｐが目標軌跡５２から外れてしまう。このとき、フィードバック制御によって車両５１の走行位置Ｐを目標軌跡５２まですぐに戻せないと判断された場合には、走行目標の再生成が行われる。これにより、急操舵などを行わずに安定した状態で走行位置を修正して適切な車両走行が行える。
なお、上述した実施形態は本発明に係る車両制御装置及び車両制御方法の一例を示すものである。本発明に係る車両制御装置及び車両制御方法は、この実施形態に係る車両制御装置及び車両制御方法に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、実施形態に係る車両制御装置及び車両制御方法を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
例えば、図２における制御処理では、フィードバック制御における制御偏差が設定値を超えている場合として、走行位置が目標軌跡を逸脱している場合、車両挙動の前後、左右Ｇがタイヤ摩擦円を超えている場合、車両の加速度、ジャークが設定値を超えている場合に走行目標を再生成するものについて説明したが、走行位置が目標軌跡を逸脱している場合、車両挙動の前後、左右Ｇがタイヤ摩擦円を超えている場合、車両の加速度、ジャークが設定値を超えている場合の一部により制御偏差が設定値を超えているか否かを判断するものであってもよい。また、その他の制御偏差が設定値を超える場合に走行目標を再生成するものであってもよい。
また、車両制御装置が完全自動運転車両に設けられる場合に限られるものではなく、先行車両に追従制御して走行する車両に設けられる場合であってもよいし、通常時に操舵装置、走行駆動装置及び制動装置に制御介入せず緊急時のみ制御介入する車両に適用してもよい。
本発明の実施形態に係る車両制御装置の構成概要図である。 図１の車両制御装置の動作及び車両制御方法を示すフローチャートである。 図１の車両制御装置における動作の具体例を示した図である。
符号の説明
１…車両制御装置、２…ＥＣＵ、３…ナビゲーションシステム、４…車両状態センサ、５…レーン認識センサ、６…車両走行部、２１…制御目標生成部、２２…目標追従制御部、２３…状態量推定部、２４…再生成判定部、２５…運動制御部。

Claims (4)

  1. 予め設定された走行目標に従い車両走行をフィードバック制御する走行制御手段と、
    前記走行制御手段のフィードバック制御における制御偏差が設定値を超えているか否かを判断する判断手段と、
    前記判断手段により制御偏差が設定値を超えていると判断された場合に、走行目標を再生成する目標再生成手段と、
    を備えた車両制御装置。
  2. 前記判断手段は、車両走行の安全性を確保可能な値として設定値を設定し、その設定値を前記走行制御手段のフィードバック制御における制御偏差が超えているか否かを判断することを特徴とする請求項１に記載の車両制御装置。
  3. 前記判断手段は、前記走行制御手段のフィードバック制御における制御偏差として車両の位置、車両の挙動、車両の加速度又はジャークのうち少なくとも一つが設定値を超えているか否かを判断することを特徴とする請求項１又は２に記載の車両制御装置。
  4. 予め設定された走行目標に従い車両走行をフィードバック制御する走行制御ステップと、
    前記走行制御ステップのフィードバック制御における制御偏差が設定値を超えているか否かを判断する判断ステップと、
    前記判断ステップにおいて制御偏差が設定値を超えていると判断された場合に、走行目標を再生成する目標再生成ステップと、
    を備えた車両制御方法。
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