JP2010167817A

JP2010167817A - 操舵制御装置及びプログラム

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Publication number: JP2010167817A
Application number: JP2009009858A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Ono; 英一小野
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: JP5417856B2

Abstract

【課題】正確に目標コースを追従することができるようにする。
【解決手段】目標到達点偏角検出手段２６によって、車両の進行方向と、車両の走行する目標コース上の予め定められた前方注視時間後の目標到達点の方向との偏角を検出する。ヨー角速度目標値演算手段２８によって、目標到達点偏角検出手段２６によって検出された偏角に比例するヨー角速度を、予め定められたむだ時間後の目標値として演算する。操舵制御手段３０によって、演算されたヨー角速度の目標値をむだ時間後に実現するように、車両の前輪の操舵を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、操舵制御装置及びプログラムに係り、特に、目標コースに応じて車両の前輪又は後輪の操舵を制御する操舵制御装置及びプログラムに関する。

従来より、走行路上の車線に車両を追従させるための技術が知られている。例えば、走行路の曲率と車両偏向角に応じた操舵制御によって走行路への追従を行う車両用操舵制御装置が知られている（特許文献１）。この車両用操舵制御装置では、走行路の曲率を前方の画像情報から検出している。

また、車両と所定距離先の走行車線とのなす角に基づいて目標ヨー角速度を演算し、このヨー角速度を実現することによって走行路への追従を行う車線維持支援装置が知られている（特許文献２）。この車線維持支援装置では、所定距離先の走行車線の方向として、所定距離先の走行車線の接線方向を利用している。

特開２００１−１０５１８号公報特開２００３−３２７１５１号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載の技術では、前方の画像情報から走行路の曲率を精度よく検出することは困難であり、得られる情報にノイズが含まれているため、正確にコースを追従することができない、という問題がある。

また、上記の特許文献２に記載の技術では、前方の画像情報から走行車線の接線方向を検出する場合、走行車線の接線方向を精度よく検出することは困難であり、得られる情報にノイズが含まれているため、正確にコースを追従することができない、という問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、正確に目標コースを追従することができる操舵制御装置及びプログラムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明に係る操舵制御装置は、車両の進行方向と、前記車両の走行する目標コース上の予め定められた前方注視時間後の目標到達点の方向との偏角を検出する目標到達点偏角検出手段と、前記目標到達点偏角検出手段によって検出された前記偏角に比例するヨー角速度を、車両運動の変化のタイミングと前記目標コースの曲率の変化のタイミングとを合わせるための予め定められたむだ時間後の目標値として演算するヨー角速度目標値演算手段と、前記ヨー角速度目標値演算手段によって演算されたヨー角速度の目標値を前記むだ時間後に実現するように、前記車両の前輪及び後輪の少なくとも一方の操舵を制御する操舵制御手段と、を含んで構成されている。

本発明に係るプログラムは、コンピュータを、車両の進行方向と、前記車両の走行する目標コース上の予め定められた前方注視時間後の目標到達点の方向との偏角を検出する目標到達点偏角検出手段、前記目標到達点偏角検出手段によって検出された前記偏角に比例するヨー角速度を、車両運動の変化のタイミングと前記目標コースの曲率の変化のタイミングとを合わせるための予め定められたむだ時間後の目標値として演算するヨー角速度目標値演算手段、及び前記ヨー角速度目標値演算手段によって演算されたヨー角速度の目標値を前記むだ時間後に実現するように、前記車両の前輪及び後輪の少なくとも一方の操舵を制御する操舵制御手段として機能させるためのプログラムである。

本発明によれば、目標到達点偏角検出手段によって、車両の進行方向と、車両の走行する目標コース上の予め定められた前方注視時間後の目標到達点の方向との偏角を検出する。ヨー角速度目標値演算手段によって、目標到達点偏角検出手段によって検出された偏角に比例するヨー角速度を、車両運動の変化のタイミングと目標コースの曲率の変化のタイミングとを合わせるための予め定められたむだ時間後の目標値として演算する。

そして、操舵制御手段によって、ヨー角速度目標値演算手段によって演算されたヨー角速度の目標値をむだ時間後に実現するように、車両の前輪及び後輪の少なくとも一方の操舵を制御する。

このように、目標到達点の方向との偏角に比例するヨー角速度を、むだ時間だけ遅延させて目標値とし、車両の前輪又は後輪の操舵を制御することにより、正確に目標コースを追従することができる。

以上説明したように、本発明の操舵制御装置及びプログラムによれば、目標到達点の方向との偏角に比例するヨー角速度を、むだ時間だけ遅延させて目標値とし、車両の前輪又は後輪の操舵を制御することにより、正確に目標コースを追従することができる、という効果が得られる。

本発明の実施の形態に係る車両操舵制御装置の構成を示す概略図である。本発明の実施の形態に係る車両操舵制御装置の操舵制御処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。（Ａ）従来の操舵制御方法を用いて制御した場合の車両軌跡を示すグラフ、及び（Ｂ）本実施の形態の操舵制御方法を用いて制御した場合の車両軌跡を示すグラフである。（Ａ）従来の操舵制御方法を用いて制御した場合であって、コース追従誤差が生じた場合の車両軌跡を示すグラフ、及び（Ｂ）本実施の形態の操舵制御方法を用いて制御した場合であって、コース追従誤差が生じた場合の車両軌跡を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態では、車両に搭載され、かつ、車両の前輪操舵を制御する車両操舵制御装置に本発明を適用した場合を例に説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係る車両操舵制御装置１０は、自車両の前方を撮像する撮像装置１２と、自車両の車速を検出する車速センサ１４と、自車両の前輪の実舵角を検出する舵角センサ１６と、自車両の前輪の操舵を行う操舵装置２０と、車速センサ１４及び舵角センサ１６の各々の出力、並びに撮像装置１２によって撮像された前方画像に基づいて、操舵装置２０を制御するコンピュータ２２とを備えている。

撮像装置１２は、自車両の前方を撮像し、画像の画像信号を生成する単眼のカメラで構成される撮像部（図示省略）と、撮像部で生成された画像信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部（図示省略）と、Ａ／Ｄ変換された画像信号を一時的に格納するための画像メモリ（図示省略）とを備えている。

操舵装置２０は、ステアリングと操舵前輪が機構的に分離したステアバイワイヤ方式であり、電動パワーステアリング装置を備え、コンピュータ２２による制御によって、電動パワーステアリング装置のアシストトルクが設定される。

コンピュータ２２は、ＣＰＵと、ＲＡＭと、後述する操舵制御処理ルーチンを実行するためのプログラムを記憶したＲＯＭとを備え、機能的には次に示すように構成されている。コンピュータ２２は、撮像装置１２から出力された前方画像を取得する画像入力手段２４と、車速センサ１４からの車速及び舵角センサ１６からの前輪実舵角に基づいて、前方画像から、自車両の進行方向の前方注視時間後の到達予測位置を検出すると共に、前方画像から、自車両の走行する目標コース上の前方注視時間後の目標到達点を検出して、自車両の進行方向と前方注視時間後の目標到達点の方向との偏角を検出する目標到達点偏角検出手段２６と、自車両の進行方向と前方注視時間後の目標到達点の方向との偏角に基づいて、後述するむだ時間後のヨー角速度の目標値を演算する目標ヨー角速度演算手段２８と、舵角センサ１６からの前輪実舵角に基づいて、演算されたヨー角速度の目標値をむだ時間後に実現するように操舵装置２０を制御する操舵制御手段３０とを備えている。

目標到達点偏角検出手段２６は、まず、車速センサ１４により検出された車速及び舵角センサ１６により検出された前輪実舵角δ_ｆに基づいて、以下の（１）式に従って、車体スリップ角βを演算する。

ここで、ｖは検出された車速、ｌはホイールベース、ｌ_ｆは前軸から重心までの距離、ｌ_ｒは後軸から重心までの距離、ｍは車両質量、Ｉ_ｚはヨー慣性モーメント、ｃ_ｆは前輪コーナリングパワー、ｃ_ｒは後輪コーナリングパワー、ｓはラプラス演算子である。

また、目標到達点偏角検出手段２６は、前方画像上における予め求められた車両前後方向と演算された車体スリップ角とに基づいて、前方画像上における自車両の進行方向を演算し、自車両の進行方向上の、予め設定された前方注視時間と車速との積で得られる前方注視距離前方にある点を、前方注視時間後の到達予測位置として検出する。また、目標到達点偏角検出手段２６は、前方画像から画像認識処理により目標コースを認識し、目標コース上であって、かつ、予め設定された前方注視時間と車速との積で得られる前方注視距離前方にある点を、前方注視時間後の目標到達点として検出する。また、目標到達点偏角検出手段２６は、検出された前方注視時間後の到達予測位置及び目標到達点の位置に基づいて、自車両の進行方向と前方注視時間後の目標到達点の方向との偏角を検出する。なお、目標到達点について、ナビゲーションシステムなどから自車両の目標コースを取得して、目標到達点の位置を検出するようにしてもよい。また、車速センサ及び舵角センサの出力を用いて車体スリップ角を演算する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、従来既知の他の手法を用いて、車体スリップ角を求めてもよい。

次に、ヨー角速度の目標値を実現するための操舵制御方法について説明する。

まず、前輪実舵角δ_ｆとヨー角速度ｒとの間には、以下の（２）式で表される関係が成り立つ。

本実施の形態では、上記（２）式〜（４）式を、以下の（５）式に近似する。

ただし、Ｇは、上記（２）式の定常ゲインであり、以下の（６）式で表される。また、Ｌは、上記（２）式の動特性による遅れを、むだ時間で近似したときのむだ時間である。

したがって、ヨー角速度の目標値ｒ_０を実現するための前輪実舵角δ_ｆは、以下の（７）式によって導出される。

操舵制御手段３０は、演算されたむだ時間後のヨー角速度の目標値に基づいて、上記（７）式に従って、むだ時間後の前輪実舵角を演算し、メモリ（図示省略）に記憶しておく。なお、このむだ時間としては、車両運動の遅れを考慮して、上記（５）式のむだ時間Ｌだけ減算した値が用いられる。むだ時間経過すると、操舵制御手段３０は、メモリから対応する前輪実舵角を読み込むと共に、舵角センサ１６から前輪実舵角を検出し、読み込んだ前輪実舵角と、検出された前輪実舵角とに基づいて、読み込んだ前輪実舵角を得るために必要な操舵アシストトルクを演算し、操舵装置２０の電動パワーステアリング装置におけるアシストトルクに、演算した操舵アシストトルクを加算するように設定する。これによって、操舵装置２０によって、ヨー角速度の目標値が実現される。

次に、本実施の形態に係る車両操舵制御装置１０の作用について説明する。車両操舵制御装置１０を搭載した車両の走行中に、コンピュータ２２において、図２に示す操舵制御処理ルーチンが実行される。

まず、ステップ１００において、撮像装置１２から前方画像を取得し、ステップ１０２では、車速センサ１４より検出された車速及び舵角センサ１６より検出された前輪実舵角の各々を取得する。そして、ステップ１０４において、上記ステップ１０２で取得した車速及び前輪実舵角から車体スリップ角を演算する。

次のステップ１０６では、上記ステップ１００で取得した前方画像における予め求められた車両前後方向と上記ステップ１０４で演算された車体スリップ角とから、前方画像における自車両の進行方向を演算し、進行方向の前方注視時間後の到達予測点を検出する。また、ステップ１０６では、上記ステップ１００で取得した前方画像から、目標コース上の前方注視時間後の目標到達点を検出し、自車両の進行方向と検出した前方注視時間後の目標到達点の方向との偏角を検出する。

次のステップ１０８では、上記ステップ１０６で検出された自車両の進行方向と目標到達点の方向との偏角に基づいて、むだ時間後のヨー角速度の目標値を演算する。

そして、ステップ１１０において、上記（７）式に従って、上記ステップ１０８で演算されたヨー角速度の目標値を実現するための前輪実舵角を演算して、むだ時間後の時刻を指定時刻として設定して、演算した前輪実舵角をメモリに記憶して、ステップ１００へ戻る。

そして、コンピュータ２２では、操舵制御手段３０によって、以下の処理を実行する。

まず、メモリから現在時刻が指定時刻として設定された前輪実舵角を読み出して、前輪実舵角を実現するための操舵アシストトルクを算出し、操舵装置２０の電動パワーステアリング装置におけるアシストトルクに加算して設定するように操舵装置２０を制御する。

上記の処理が繰り返し実行されることにより、繰り返し演算されたむだ時間後のヨー角速度の目標値が各々実現される。

次に、本実施の形態の操舵制御方法を用いて制御した場合の車両軌跡と、むだ時間を０とした従来の操舵制御方法を用いて制御した場合の車両軌跡とを比較した結果について説明する。ここでは、車速１００ｋｍ／ｈで走行中に、半径１００ｍのカーブに進入したときの車両軌跡を測定した。

図３（Ａ）に示すように、むだ時間を０とした従来の操舵制御手法では、カーブ進入後２０ｍ付近で、１ｍ以上カーブ内側に入ってしまうことがわかる。カーブ内側への進入は制御ゲインを低減することによって抑制することができるが、この場合、図３（Ａ）の一点鎖線で示すようにカーブが回りきれず、コースアウトしてしまう。このようなコースアウトは、コースの曲率を推定し、曲率に応じたヨー角速度をフィードフォワード的に目標ヨー角速度に加算することによって防止することも可能である。しかしながら、前方画像から推定されるコースの曲率は十分な精度が期待できず、操作量である操舵トルクの振動成分がノイズの影響により増加してしまうため、ハンドルをもっているドライバに違和感を与えてしまう、という問題が生じる。

一方、図３（Ｂ）に示すように、本実施の形態の操舵制御方法では、むだ時間によって旋回開始のタイミングを適切に計っており、目標コースを正確に追従できている。さらに、本実施の形態の操舵制御方法では、前方画像から推定されるコースの曲率などの路面形状に関するパラメータを制御に用いていないことから、路面形状の推定において生じるノイズの影響を受けることがなく、ドライバに違和感を与えることない。この結果、本実施の形態の操舵制御方法は、正確なコース追従が実現できる、という優れた特徴を有している。

次に、１００ｋｍ／ｈで走行中にコース追従誤差が生じた場合の車両軌跡について説明する。ここでは、半径１００ｍのカーブに進入する４０ｍ手前で横方向に±２ｍの誤差が生じたときの応答を計測した。

図４（Ａ）に示すように、むだ時間を０とした従来の操舵制御手法では、カーブ進入後５０〜６０ｍ付近までコース追従誤差が残ることがわかる。これに対し、図４（Ｂ）に示すように、本実施の形態の操舵制御手法では、カーブ進入後１０ｍ付近でコース追従誤差が０になることが確認できる。このように、本実施の形態の操舵制御手法では、目標ヨー角速度を演算する目標ヨー角速度演算手段２８において、むだ時間を与えた結果、横位置の誤差に対する応答性も向上させていることがわかった。

以上説明したように、本実施の形態に係る車両操舵制御装置によれば、前方注視時間後の目標到達点の方向との偏角に比例するヨー角速度を、むだ時間だけ遅延させて目標値とし、車両の前輪の操舵を制御することにより、正確に目標コースを追従することができる。

また、走行路の曲率や所定距離先の走行車線の接線方向など、前方画像からの検出では十分な精度が望めない路面形状パラメータを用いることなく、目標コースを追従することができる。

また、前方注視時間とむだ時間との関係、及び前方注視時間とゲインとの関係を明確化し、単純な構成で、目標コースを正確に追従することができる。

なお、上記の実施の形態では、前方注視時間が固定的に設定されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、自車両の走行状況に応じて前方注視時間を設定するようにしてもよい。例えば、前方に障害物があったり、車間距離が短かったりして、ドライバが近くを注視する状況である場合には、前方注視時間は、前方注視距離を車速で割った値であるため、前方注視時間を短く設定するようにしてもよい。

また、前輪の操舵を制御する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、後輪の操舵を制御するようにしてもよい。この場合には、ヨー角速度の目標値を実現するための後輪実舵角を演算して、演算した後輪実舵角に応じたアシストトルクを、電動パワーステアリング装置におけるアシストトルクに加算すればよい。また、前輪及び後輪の双方の操舵を制御するようにしてもよい。この場合には、ヨー角速度の目標値を実現するための前輪実舵角及び後輪実舵角を演算して、演算した前輪実舵角及び後輪実舵角に応じたアシストトルクを、電動パワーステアリング装置におけるアシストトルクに加算すればよい。

また、本発明のプログラムを記憶媒体に格納して提供してもよい。

１０車両操舵制御装置
１２撮像装置
１４車速センサ
１６舵角センサ
２０操舵装置
２２コンピュータ
２４画像入力手段
２６目標到達点偏角検出手段
２８目標ヨー角速度演算手段
３０操舵制御手段

Claims

車両の進行方向と、前記車両の走行する目標コース上の予め定められた前方注視時間後の目標到達点の方向との偏角を検出する目標到達点偏角検出手段と、
前記目標到達点偏角検出手段によって検出された前記偏角に比例するヨー角速度を、車両運動の変化のタイミングと前記目標コースの曲率の変化のタイミングとを合わせるための予め定められたむだ時間後の目標値として演算するヨー角速度目標値演算手段と、
前記ヨー角速度目標値演算手段によって演算されたヨー角速度の目標値を前記むだ時間後に実現するように、前記車両の前輪及び後輪の少なくとも一方の操舵を制御する操舵制御手段と、
を含む操舵制御装置。
コンピュータを、
車両の進行方向と、前記車両の走行する目標コース上の予め定められた前方注視時間後の目標到達点の方向との偏角を検出する目標到達点偏角検出手段、
前記目標到達点偏角検出手段によって検出された前記偏角に比例するヨー角速度を、車両運動の変化のタイミングと前記目標コースの曲率の変化のタイミングとを合わせるための予め定められたむだ時間後の目標値として演算するヨー角速度目標値演算手段、及び
前記ヨー角速度目標値演算手段によって演算されたヨー角速度の目標値を前記むだ時間後に実現するように、前記車両の前輪及び後輪の少なくとも一方の操舵を制御する操舵制御手段
として機能させるためのプログラム。