JP2012003453A - スライディングモード制御装置及び車両の自動操舵制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】切り換え超平面への収束性を良好に維持しつつ、チャタリング現象を的確に低減することが可能なスライディングモード制御装置の提供。
【解決手段】スライディングモード制御装置は、制御対象の状態量ｙと状態量の時間変化率ｙ’との間に非線形の関係が成立するように切り換え超平面σｎを設定し、設定した切り換え超平面σｎに状態量ｙ及び状態量の時間変化率ｙ’を収束させる。また、初期状態の制御対象の状態量ｙ及び状態量の時間変化率ｙ’の収束軌跡の傾きと切り換え超平面σｎの傾きとの差が大きいほど値が大きくなるように境界層φを設定し、状態量ｙ及び状態量の時間変化率ｙ’を切り換え超平面σｎに到達させるための非線形入力θnlを、境界層φにおいて減少させる。
【選択図】図７

Description

本発明は、スライディングモード制御装置及び車両の自動操舵制御装置に関する。

近年、自動操舵制御に関する様々な技術が提案され実用化されており、その設計の主流は、ＰＩＤ制御やＬＱＩ制御である。また、他のフィードバック制御として、ＰＩＤ制御やＬＱＩ制御に比べて外乱に対する影響が小さくロバスト性の高いスライディングモード制御が注目されている。

特開２０１０−２３６８２号公報 特許第３６１６７３４号公報

切り換え超平面（切換関数）を設定し、制御対象の状態量及び状態量の時間変化率を切り換え超平面に収束させるスライディングモード制御では、状態量が初期状態から切り換え超平面に到達した際にチャタリング現象が発生する。例えば、車両の自動操舵制御をスライディングモード制御によって実行する場合、チャタリング現象によってハンドルの操舵角度が頻繁に変化し、運転者に対して違和感を与えてしまう。

また、スライディングモード制御のチャタリング現象を抑制する方法として、切り換え超平面上に境界層を設定することが知られている。

しかし、従来の一般的な境界層の値は定数として設定され、その決定は試行錯誤によってなされるため、最適な境界層を設定することは困難である。

そこで、本発明は、切り換え超平面への収束性を良好に維持しつつ、チャタリング現象を的確に低減することが可能なスライディングモード制御装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のスライディングモード制御装置は、境界層設定手段と制御手段とを備える。境界層設定手段は、切り換え超平面に境界層を設定する。制御手段は、制御対象の状態量及び状態量の時間変化率を切り換え超平面に収束させるとともに、制御対象の状態量及び状態量の時間変化率を切り換え超平面に到達させるための非線形入力を境界層において減少させる制御手段と、を備える。境界層設定手段は、初期状態の制御対象の状態量及び状態量の時間変化率の収束軌跡の傾きと切り換え超平面の傾きとの差が大きいほど値が大きくなるように境界層を設定する。

スライディングモード制御において制御対象の状態量及び状態量の時間変化率を切り換え超平面に収束させる場合、初期状態の制御対象の状態量及び状態量の時間変化率の収束軌跡の傾きと切り換え超平面の傾きとの差が大きいほど、チャタリング現象が増大する。

これに関し、上記構成では、初期状態の制御対象の状態量及び状態量の時間変化率の収束軌跡の傾きと切り換え超平面の傾きとの差が大きいほど境界層の値が大きく設定されるので、切り換え超平面への収束性を良好に維持しつつ、チャタリング現象の発生を的確に低減することができる。

また、本発明の車両の自動操舵制御装置は、上記スライディングモード制御装置を有するとともに、車両位置検知手段と進路設定手段とを備える。車両位置検知手段は、車両の現在位置を検知する。進路設定手段は、車両の目標進路を設定する。上記制御対象の状態量は、車両の位置と目標進路との距離である。制御手段は、車両の位置と目標進路との距離及びその距離の時間変化率を切り換え超平面に収束させるための目標操舵角を算出し、算出した目標操舵角に対応する目標操舵電流をステアリングアクチュエータへ出力する。

上記構成では、操舵角度の変化を抑制して運転者に与える違和感を低減させることができる。

また、上記スライディングモード制御装置は、制御対象の状態量と状態量の時間変化率との間に非線形の関係が成立するように切り換え超平面を設定する超平面設定手段を備えてもよく、切り換え超平面は、状態量の三乗項と状態量の時間変化率の三乗項とを含む関数によって規定されてもよい。

上記構成では、超平面設定手段によって設定される切り換え超平面では、制御対象の状態量と状態量の時間変化率との間に非線形の関係が成立し、制御対象の状態量と状態量の時間変化率とが一定の線形関係に拘束されないので、高いロバスト性を得ることが可能な切り換え超平面の設計が可能となる。従って、上記スライディングモード制御装置を車両の自動操舵制御装置に適用し、車両の位置と目標車線との距離を状態量とし、その時間変化率を状態量の時間変化率として切り換え超平面を設定した場合、距離と時間変化率とが一定の線形関係に拘束されず、道路の曲率の増大に伴って最適な追従性能を発揮する切り換え超平面を設計することができる。

本発明のスライディングモード制御装置によれば、チャタリング現象を的確に低減することができる。

本実施形態の自動操舵制御装置を備えた車両の模式図である。 図１の自動操舵制御装置のブロック構成図である。 車両と目標走行ラインとを示す模式図である。 自動操舵制御処理のフローチャートである。 切り換え超平面を示す模式図である。 目標走行ラインの曲率と係数Ｇとの関係の一例を示す図である。 初期状態の制御対象の状態量及び状態量の時間変化率の収束軌跡の傾きと、切り換え超平面の傾きと、チャタリング現象との関係を示す図である。

以下、車両の自動操舵制御装置に本発明のスライディングモード制御装置を適用した本発明の一実施形態について、図１〜図７に基づいて説明する。

図１〜図３に示すように、車両１は、ステアリングホイール２と、センサ部３と、コントローラ（ＥＣＵ：Electric Control Unit）４と、駆動電流出力部５と、ステアリングアクチュエータ６とを備える。センサ部３とコントローラ４と駆動電流出力部５とは、走行制御装置を構成する。ステアリングホイール２は、車両１の運転室内に設けられ、運転者からの操舵入力を受ける。

センサ部３は、カメラ３１と、ヨーレートセンサ３３と、ハンドル角度センサ３４と、車速センサ３５と、自動操舵スイッチ３６とを備える。

カメラ３１は、ＣＣＤカメラであり、車両１の進行方向前方の路面を撮像し、その撮像信号をコントローラ４へ出力する。本実施形態では、車両１の走行路の左右両側の白線ＬＬ，ＬＲの間に所定の目標走行ライン（目標進路）ＬＴを設定し、設定した目標走行ラインＬＴに沿って自動操舵による走行を行うため、カメラ３１は、進行方向前方の左右の白線ＬＬ，ＬＲを撮像する。

ヨーレートセンサ３３は、旋回走行時に車両１に発生するヨーレートφ’（回転角速度：rad/s）を、左回転を正方向として検出し、検出したヨーレートφ’をコントローラ４へ出力する。ハンドル角度センサ３４は、ステアリングホイール２に入力する操舵角δ（rad）を検出し、検出した操舵角δをコントローラ４へ出力する。車速センサ３５は、車両１の車速Ｖ（m/s）を検出し、検出した車速Ｖをコントローラ４へ出力する。

自動操舵スイッチ３６は、車両１の運転室内に設けられ、運転者からのオン／オフ操作に応じた切換信号をコントローラ４へ出力する。自動操舵スイッチ３６は、電源投入による初期時にはオフに設定され、運転者からの操作に応じてオンに設定される。自動操舵スイッチ３６がオンに設定されると、コントローラ４は自動操舵制御処理を実行する。以下、自動操舵スイッチ３６がオンに設定されている状態を説明する。

コントローラ４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）とを備える。コントローラ４には、センサ部３から各種信号が逐次入力する。ＲＯＭ又はＲＡＭには、自動操舵制御プログラムが予め記憶され、ＣＰＵは、自動操舵制御プログラムを読み出して実行することにより、目標走行ライン設定部４１、目標偏差演算部４２、目標操舵角演算部４３及び指令電流値演算部４４として機能する。

目標走行ライン設定部４１は、路面上の目標走行ラインＬＴを設定する。目標走行ラインＬＴとは、車両１が自動操舵によって走行する際に目標とする進路である。本実施形態の目標走行ライン設定部４１は、カメラ３１が撮像した撮像信号を解析して路面上の左右の白線ＬＬ，ＬＲ間の幅Ｗの範囲を車両１の走行レーンとして検出し、走行レーンにおいて片側の白線（例えば左側の白線ＬＬ）からの距離が走行レーンの幅Ｗの５０％（Ｗ／２）となる位置（線）を目標走行ラインＬＴとして設定する。

目標偏差演算部４２は、目標走行ライン設定部４１が設定した目標走行ラインＬＴに対する現在の車両１の相対位置（目標偏差ｙ）を演算する。具体的には、カメラ３１が撮像した撮像信号を解析して左側の白線ＬＬから車両１までの距離Ｄを検出し、距離Ｄから目標走行ラインＬＴの設定距離Ｗ／２を減算することにより、目標偏差ｙ（ｙ＝Ｄ−Ｗ／２）を算出する。

なお、本実施形態では、目標走行ラインＬＴの設定及び目標偏差ｙの演算のために、カメラ３１が撮像した撮像信号を使用するが、カメラ３１の撮像信号以外の他の情報を使用してもよい。例えば、ＧＰＳによって検知された情報を受信して、受信した情報に基づいて目標走行ラインＬＴを設定し、目標偏差を演算してもよい。また、路面に目標走行ラインＬＴに沿った情報発生装置を予め設け、この情報発生装置から目標走行ラインＬＴの位置情報を取得して、目標走行ラインＬＴと目標偏差ｙとを検知してもよい。

目標操舵角演算部４３は、超平面設定手段、境界層設定手段及び制御手段を構成する。目標操舵角演算部４３は、目標走行ライン設定部４１が検知した目標走行ラインＬＴと目標偏差演算部４２が検知した目標偏差ｙとに基づいて、車両１を目標走行ラインＬＴに従って走行させるための操舵角（目標偏差ｙ及び目標偏差の時間微分ｙ’を切り換え超平面σｎに収束するための目標操舵角θtotal）を算出する。また、目標操舵角演算部４３は、初期状態の目標偏差ｙ及び目標偏差の時間微分ｙ’の収束軌跡の傾きと切り換え超平面σｎの傾きとの差が大きいほど値が大きくなるように境界層φを設定し、目標偏差ｙ及び目標偏差の時間微分ｙ’を切り換え超平面σｎに到達させるための非線形入力が境界層φにおいて減少するように、目標操舵角θtotalを算出する。なお、目標操舵角θtotalの算出処理及び境界層φの設定処理については後述する。

指令電流値変換部４４は、制御手段を構成し、目標操舵角演算部４３が算出した目標操舵角θtotalを指令電流値（目標操舵電流）ｉに変換する。指令電流値ｉとは、車両１を目標走行ラインＬＴに沿って走行させるためにステアリングアクチュエータ６に通電する電流値である。指令電流値変換部４４は、ステアリングホイール２を目標操舵角θtotalに駆動するために、ステアリングアクチュエータ６に対して、左右どちらの方向にどれくらいの強さの電流を通電する必要があるかを算出する。駆動電流出力部５は、制御手段を構成し、指令電流値変換部４４が算出した指令電流値ｉをステアリングアクチュエータ６に通電させる。

ステアリングアクチュエータ６は、駆動電流出力部５から入力した駆動電流ｉによって駆動する。なお、ステアリングホイール２は、ステアリングアクチュエータ６の駆動に連動して回転する。

次に、目標操舵角演算部４３が実行する目標操舵角θtotalの算出処理及び境界層φの設定処理について説明する。なお、以下の説明において使用する記号の定義は以下の通りである。

Ｉ：車両１のヨー慣性モーメント（kg・m²）
Ｍ：車両１の質量（kg）
Ｋ_ｆ：前輪コーナリングパワー（N/rad）
Ｋ_ｒ：後輪コーナリングパワー（N/rad）
ｌ_ｆ：車両重心点から前輪軸までの距離（m）
ｌ_ｒ：車両重心点から後輪軸までの距離（m）
δ：ハンドル角度センサ３４が検出するステアリングの実ハンドル角（rad）
Ｖ：車速センサが検出する３５が検出する車速（m/s）

操舵系の状態方程式は、式（１）によって表される。

ステアリングモード制御の等価制御入力は、式（２）によって計算される。

式（２）の評価関数Ｊを最小化するレギュレータへの最適な等価制御入力は、式（３）によって表わされる。

なお、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４は、式（２）を満たす最適ゲインを示す定数である。

従来の一般的なスライディングモード制御の非線形制御入力の場合、式（４）に示す超平面σが設定され、目標操舵角θtotalは、式（５）によって計算される。なお、ｈは、切り換え超平面（切換線）の傾きを示す定数、Ｋは、ゲインを示す定数である。

しかし、上記従来の方法によって設定される切り換え超平面σでは、状態量ｙと状態量の時間変化率ｙ’とが一定の線形関係に拘束されるため、道路（目標走行ラインＬＴ）の曲率変化に対するロバスト性が弱く、道路の曲率の増大に伴って追従性能が悪化する。

これに対し、本実施形態では、図５に示すように、上記超平面σを垂直変換した超平面σｐを求め（式（６））、２つの超平面σ，σｐとによって規定される新たな座標系を設定し、この新たな座標系に式（７）に示す切り換え超平面σｎを設定する。

切り換え超平面σｎは、状態量（目標偏差ｙ）の三乗項と状態量の時間変化率（目標偏差の時間微分ｙ’）の三乗項とを含む関数によって規定され、状態量（目標偏差ｙ）と状態量の時間変化率（目標偏差の時間微分ｙ’）との間で非線形の関係が成立する。また、係数Ｇの値を変更することによって、非線形な切り換え超平面σｎを自由に設計することができる。

係数Ｇの値は、目標走行ラインＬＴの曲率に応じて設定される。目標走行ラインＬＴと係数Ｇとの関係（係数Ｇの設定情報）の一例を図６に示す。なお、目標走行ラインＬＴと係数Ｇとの関係は、経験等によって予め決定され設定される。

従って、目標操舵角θtotalの非線形入力θnlは、式（８）のように表される。

式（８）の非線形入力θnlをそのまま用いると、チャタリング現象が発生するため、これを抑制するため、式（８）に代えて式（９）に示す非線形入力θnlを用いる。

式（９）のsat（σｎ／φ）を、式（１０）に示す。

式（９）及び式（１０）のφは境界層であり、式（１０）のsgn（）は、符号関数である。式（１０）から明らかなように、σｎの大きさ（絶対値）がφの大きさ（絶対値）を超えている場合のθnlの大きさ（絶対値）は一定値であり、σｎの大きさがφの大きさ以下になると、θnlの大きさは上記一定値から減少する。すなわち、状態量ｙ及び状態量の時間変化率ｙ’を切り換え超平面に到達させるための非線形入力θnlは、境界層において減少する。

境界層φの値は、スライディングモード制御の性能に大きな影響を与える。例えば、境界層φの値が大きいと、チャタリング現象は抑制されるが、切り換え超平面への収束性（拘束性）が悪化する。反対に、境界層φの値が小さいと、切り換え超平面への収束性は良好であるが、チャタリング現象を低減することができない。

従来の一般的なスライディングモード制御の非線形制御入力の場合、境界層φとして所定の定数値（固定値）が設定される。従って、切り換え超平面への収束性が良好であり且つチャタリング現象の低減が可能な最適値に境界層φを設定しなければならず、境界層φの値の決定が難しい。特に、状態量ｙと状態量の時間変化率ｙ’との間に非線形の関係が成立する切り換え超平面が設定される場合、最適な境界層φの値を予め決定して設定することは極めて困難である。

ここで、初期状態の制御対象の状態量ｙ及び状態量の時間変化率ｙ’の収束軌跡（拘束軌跡）の傾きと、切り換え超平面σｎの傾きと、チャタリング現象の発生との関係に着目すると、図７に示すように、初期状態の状態量ｙ及び状態量の時間変化率ｙ’の収束軌跡の傾きと切り換え超平面σｎの傾きとの差が大きい場合（軌跡１として実線で示す）と、収束軌跡の傾きと切り換え超平面σｎの傾きとの差が小さい場合（軌跡２として破線で示す）とを比較すると、軌跡１の方が軌跡２よりもチャタリングが大きく発生する。このため、本実施形態では、境界層φを、固定値ではなく、初期状態の制御対象の状態量ｙ及び状態量の時間変化率ｙ’の収束軌跡（拘束軌跡）の傾きと切り換え超平面σｎの傾きとの差が大きいほど値が大きくなるように設定し、境界層φの値は、式（１１）によって算出される。

式（１１）において、｜σｎ’｜は、初期状態の収束軌跡の傾きであり、｜３Ｇσｐ^２σｐ’｜は、切り換え超平面σｎの傾きである。また、φ０は、所定の定数である。

目標操舵角θtotalは、式（１２）によって計算される。

次に、本実施形態の自動操舵制御装置が実行する自動操舵制御処理について説明する。

自動操舵制御処理は、所定時間毎に繰り返して実行される。自動操舵制御処理が開始されると、コントローラ４が必要なパラメータを読み込む（ステップＳ１）。本処理において、コントローラ４は、カメラ３１、ヨーレートセンサ３３、車速センサ３５などから各種信号を読み込む。また、読み込んだパラメータに基づいて、時間微分や積分などの必要な演算や、撮像信号の解析を行う。

次に、目標走行ライン設定部４１は、目標走行ラインＬＴを設定し（ステップＳ２）、目標偏差演算部４２は、カメラ３１が撮像した撮像信号を解析して目標偏差ｙを算出する（ステップＳ３）。

次に、目標操舵角演算部４３が目標操舵角θtotalを算出する（ステップＳ４）。すなわち、ステップＳ２で設定した目標走行ラインＬＴの曲率と予め設定された係数Ｇの設定情報とから係数Ｇの値を求め、目標偏差ｙと目標偏差の時間微分ｙ’と係数Ｇとを式（４）、式（６）及び式（７）に代入して切り換え超平面σｎを設定する。そして、式（１１）から境界層φを設定し、式（９）、式（１０）及び式（１２）とから目標偏差ｙ及び目標偏差の時間微分ｙ’を切り換え超平面σｎに収束するための目標操舵角θtotalを算出する。

次に、指令電流値変換部４４が目標操舵角θtotalを指令電流値ｉに変換し（ステップＳ５）、駆動電流出力部５が指令電流値ｉの通電によってステアリングアクチュエータ６を駆動して（ステップＳ６）、自動操舵制御処理を終了する。

上記ステップＳ１〜ステップＳ６の処理を繰り返して実行することにより、目標偏差ｙ（制御対象の状態量）及び目標偏差の時間微分ｙ’（状態量の時間変化率）が切り換え超平面σｎに収束される。

本実施形態によれば、初期状態の目標偏差ｙ（制御対象の状態量）及び目標偏差の時間微分ｙ’（状態量の時間変化率）の収束軌跡の傾きと切り換え超平面σｎの傾きとの差が大きいほど境界層φの値が大きく設定されるので、切り換え超平面σｎへの収束性を良好に維持しつつ、チャタリング現象の発生を的確に低減することができる。

また、切り換え超平面σｎでは、目標偏差ｙと目標偏差の時間微分ｙ’との間に非線形の関係が成立し、目標偏差ｙと目標偏差の時間微分ｙ’とが一定の線形関係に拘束されないので、道路の曲率の増大に伴って最適な追従性能を発揮するロバスト性の高い切り換え超平面σｎの設計が可能となる。

なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は上述の実施形態に限定されることはなく、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、上述の実施形態以外であっても種々の変更が可能であることは勿論である。

例えば、上記実施形態では、制御対象の状態量と状態量の時間変化率との間に非線形の関係が成立する切り換え超平面σｎに境界層φを設定する場合について説明したが、制御対象の状態量と状態量の時間変化率との間に線形の関係が成立する切り換え超平面に本実施形態と同様に境界層φを設定してもよい。また、上記実施形態では、目標偏差ｙ（制御対象の状態量）の三乗項と目標偏差の時間微分ｙ’（状態量の時間変化率）の三乗項とを含む関数によって切り換え超平面σｎを規定したが、目標偏差ｙと目標偏差の時間微分ｙ’との間に非線形の関係が成立させる他の関数によって切り換え超平面を規定してもよい。また、上記実施形態では、自動操舵制御装置に適用されるスライディングモード制御装置の例を説明したが、本発明のスライディングモード制御装置は自動操舵制御装置以外の多様な装置に広く適用可能である。

本発明は、スライディングモード制御を実行する装置に適用可能である。

１：車両
２：ステアリングホイール
５：駆動電流出力部（制御手段）
６：ステアリングアクチュエータ
４２：目標偏差演算部
４３：目標操舵角演算部（超平面設定手段、境界層設定手段、制御手段）
４４：自動操舵電流演算部（制御手段）
ＬＴ：目標走行ライン（目標進路）
ｙ：目標偏差（車両の位置と目標進路との距離、制御対象の状態量）
ｙ’：目標偏差の時間微分（車両の位置と目標進路との距離の時間変化率、状態量の時間変化率）
σｎ：切り換え超平面
θtotal：目標操舵角
φ：境界層

Claims (3)

1. 切り換え超平面に境界層を設定する境界層設定手段と、
   制御対象の状態量及び当該状態量の時間変化率を前記切り換え超平面に収束させるとともに、前記制御対象の状態量及び当該状態量の時間変化率を前記切り換え超平面に到達させるための非線形入力を前記境界層において減少させる制御手段と、を備え、
   前記境界層設定手段は、初期状態の前記制御対象の状態量及び当該状態量の時間変化率の収束軌跡の傾きと前記切り換え超平面の傾きとの差が大きいほど値が大きくなるように前記境界層を設定する
   ことを特徴とするスライディングモード制御装置。
2. 請求項１に記載のスライディングモード制御装置であって、
   前記制御対象の状態量と該状態量の時間変化率との間に非線形の関係が成立するように前記切り換え超平面を設定する超平面設定手段を備えた
   ことを特徴とするスライディングモード制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のスライディングモード制御装置を有する車両の自動操舵制御装置であって、
   前記車両の現在位置を検知する車両位置検知手段と、
   前記車両の目標進路を設定する進路設定手段と、を備え、
   前記制御対象の状態量は、前記車両の位置と前記目標進路との距離であり、
   前記制御手段は、前記車両の位置と前記目標進路との距離及び当該距離の時間変化率を前記切り換え超平面に収束させるための目標操舵角を算出し、算出した目標操舵角に対応する目標操舵電流をステアリングアクチュエータへ出力する
   ことを特徴とする自動操舵制御装置。

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