JP2013248925A - 車両制御装置 - Google Patents

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武俊 川邊
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Abstract

【課題】先行車追従制御（ACC制御）と、カーブ前減速制御を同時に行おうとすると、カーブ追従時に、センサの検知範囲から先行車を見失ってしまい、カーブ走行時に加速してしまう場合や２段階減速が発生する場合が発生することがあり、ドライバの意図した車速操作と異なるため、ドライバに違和感を与えてしまうという問題を解決する車両制御装置を提供すること。
【解決手段】自車と先行車の質点モデルを用いて、入力された道路形状に応じた自車と先行車の挙動予測を行い、ドライバモデルと挙動予測の結果から自車に発生させる加速度を決定することで、ドライバの意図しない加速や２段階減速の発生を軽減し、ドライバの感じる違和感を低減するためのアルゴリズムを有する車両制御装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両を制御する車両制御装置に関する。
特許文献１には、自車がカーブ路を走行する際に減速制御を行い、安全性を確保する車両用運転操作補助装置が開示されている。この装置は、前方のカーブ路における最もカーブ半径の小さい道路を制御対象点として減速制御を行うことにより、運転操作の安全性を保っている。また、特許文献２には、運転者の加減速操作を読み取り、カーブ前での減速制御を行うタイミングを調整する減速制御の手法が開示されている。この手法を用いた場合、ドライバの加減速操作に応じて作動タイミングを切り替えるため、既存の手法に対して、ドライバの意図する運転操作と制御を行うタイミングが一致し、ドライバの感じる違和感が軽減されている。特にカーブ前に減速を行う車両用運転操作補助装置は、先行車追従制御（Adaptive Cruise Control；以下「ACC」という。）と組み合わせて使われ、ドライバがアクセル操作やブレーキ操作を用いずとも、先行車の挙動、設定車速の変動、走行路のカーブ状況に合わせて、自車速度の加減速を制御することができる。
特開２００５−３２９８９６号公報 特開２００４−２３０９４６号公報
特許文献1に記載の装置では、道路の制御対象点に対して減速制御を行うため、制御対象点までの道路形状や、制御対象点以降の道路形状に応じた加減速を行うことができないという問題点がある。
その対策として、特許文献２に記載の減速制御の手法を用いてドライバの感じる違和感を軽減する手法が知られているが、S字のカーブ路でこの手法を用いると、第１のカーブを抜けて、第２のカーブに入る際に行うアクセル操作に対しても減速制御開始タイミングを早めてしまう。そのため、S字のカーブ路を走行する際、ドライバが操作した際は第１のカーブに入るとき減速、第１のカーブを抜けるときに加速、第２のカーブに入るとき減速とするのに対して、第１のカーブを抜ける際の加速が弱まってしまい、ドライバの違和感が増大してしまう。
また、ACCと併せて使用する際は、先行車の加減速と、自車がカーブに合わせて減速するタイミングが異なるため、先行車がカーブ前減速を行った状況の下、車間距離を保つための減速制御を行った直後に、カーブに対する減速が続いて発生する二段階減速の場合、先行車をカーブ前で見失って車間距離を考慮する必要がなくなった状況の下、自車が設定車速まで加速しようとした直後にカーブに対する減速が発生し、加減速を繰り返してしまうような場合に、これまでに考えられてきた手法ではドライバに違和感を与えてしまうという問題がある。
その結果、カーブ前に減速を行う補助機能をわずらわしく感じたドライバは、かかる補助機能を無効化させてしまい、安全装置としての役割を発揮できないというシーンが考えられる。
そのため、ドライバに与える違和感を軽減して、安全性を確保した走行制御装置の提供が求められている。
上記の課題を解決するため、本発明の車両制御装置は、自車速を検出する自車速検出手段と、ドライバの設定速度を検出するための設定速度検出手段と、自車両の先行車に対する車間距離を検出する車間距離検出手段と、自車両の走行する道路のカーブ形状を検出する道路形状検出手段と、前記車間距離検出手段の検出結果によって得た車間距離と前記自車速検出手段によって得た自車速に応じて先行車挙動を算出する先行車挙動予測手段と、前記道路形状検出手段の検出によって得た道路のカーブ形状に応じて擬似走行カーブを算出する擬似走行カーブ生成手段と、前記先行車挙動予測手段によって得た先行車挙動と前記擬似走行カーブ生成手段によって得た擬似カーブと前記設定速度検出手段とによって得た設定速度からドライバの感じる違和感を低減させる加速度を算出する目標加速度生成手段と、前記目標加速度生成手段によって得た加速度に基づいて自車の加速度を制御するための加速手段及び減速手段を備えることを特徴とする。
また、本発明の車両制御装置では、前記目標加速度生成手段は、所定時間内の挙動を予測し、所定時間内に自車に発生する加速度を抑制するための加速度項を備えることを特徴とする。
また、本発明の車両制御装置では、前記目標加速度生成手段は、所定時間内の挙動を予測し、所定時間内に自車に発生する横加速度を抑制するための横加速度項を備えることを特徴とする。
また、本発明の車両制御装置では、前記目標加速度生成手段は、所定時間内の挙動を予測し、設定車速と自車速の乖離を抑制するための設定車速項を備えることを特徴とする。
また、本発明の車両制御装置では、前記目標加速度生成手段は、所定時間内の挙動を予測し、先行車への過剰な接近を抑制するための車間時間項を備えることを特徴とする。
また、本発明の車両制御装置では、前記横加速度項において、前方注視距離に基づくドライバモデルを考慮し、カーブ半径が変化する前から、横加速度が発生することを考慮した制御を行い、ドライバの操舵操作と減速制御によるタイミングを合わせることを特徴とする。
本発明は、道路の逸脱判定予測と、加速度若しくは横加速度の大きさと繰り返しの発生を抑え、設定車速と自車速の乖離を抑え、先行車へ過剰に接近することを抑え、ドライバの操舵操作と減速制御によるタイミングを合わせることにより、安全性を確保したまま、ドライバに与える違和感を軽減した走行制御を行うことを可能とする。
本発明に係る車両制御装置を用いた車両全体の概略を示す。 本発明に係る車両制御装置の機能ブロックを示す。 カーブした道路で先行車に自車が追従して走行する場面を示す。 S字カーブ走行路を示す。 図４に示されたS字カーブを、設定速度60[km/h]とし、±0.1[m/s2]以内の横加速度で走行する場合の挙動を示す。 従来技術を用いた場合における、先行車追従中にカーブ進入の際の状況の推移を（１）から（４）に順次示す。 先行車追従中にカーブ進入の際の車両挙動を示す（一般的なドライバの運転による車両挙動を実線で示し、従来制御手法を用いた場合の車両挙動を破線で示す）。 複数回減速が発生する状況を示す。 予測範囲の変化による減速の発生を示す。 予測範囲の変化による減速の解除を示す。 シグモイドに前方注視モデルを用いた場合の波形を示す。
本発明を実施するための形態について、以下、図を参照して説明する。
図１は、本発明に係る車両制御装置を用いた車両システムの一例である。車両制御装置100は、ナビゲーションシステム400から得た道路形状と、ステレオカメラ200から得た車間距離と、ステアリングスイッチ300から得たドライバの要求する設定車速と、車速センサ500から得た自車速に基づいて算出した要求駆動力を、エンジンコントロールユニット600に送信し、エンジン610とトランスミッション620を介してタイヤに駆動力を発生させ、自車両を加速させる。
また、同様に算出した要求液圧を、ブレーキコントロールユニット700に送信して前後左右のホイールに取り付けられたブレーキアクチュエータ710〜713に液圧を発生させてタイヤに制動力を発生させることにより、自車両を減速させる。そして、これらの各コントロールユニット及びセンサは、CAN800を用いて接続され、相互に情報通信を可能としている。
図２は、車両制御装置100の機能ブロック図を示す。車両制御装置100では、CAN800を介して入力された信号から設定速度検出130を用いて設定車速を得る。同様に、自車速検出150を用いて自車速を、車間距離検出120を用いて車間距離を、道路形状検出140を用いてカーブ半径を得る。また、前記得られた自車速及び車間距離から、先行車速演算125を用いて先行車速度を算出する。
前記得られた設定車速、自車速、先行車速度、車間距離及びカーブ半径を入力とし、モデル予測制御110を用いて、目標とする加速度を演算し、エンジントルク演算160を介して、エンジントルク指令値を生成してCAN800に出力する。同様に、前記の目標とする加速度から、ブレーキ圧演算170を介して、ブレーキ圧を生成してCAN800に出力する。
図３は、車両制御を行う上で用いる記号を説明するための図である。自車速をvh、先行車速度をvp、自車の走行位置をxh、先行車の走行位置をxp、走行路のカーブ半径をRと定義する。
図１の車両制御装置は、車速センサから、vhを取得し、ステレオカメラからxp-xhを取得し、ナビゲーションシステムからxhとRを取得する。また、ステレオカメラから得たxp-xhの変化量を制御装置により計測し、距離の変化量を時間で割ることで相対速度を算出する。この相対速度をvhに加算することで、vpを算出する。そして、ステアリングスイッチから設定速度vtを取得する。自車の加速度uhは、次式のとおり、vhを微分して得られる。
Figure 2013248925
また、Rは位置の関数で表現されるため、以下のようにシグモイド関数を用いて表現され、変関数として用いる。
Figure 2013248925
ここで、rnは最大カーブ半径、αnはカーブ半径の変化度合い、startnはカーブの開始位置、endnはカーブの終端位置を示し、いずれも道路形状検出によって設定する。
次に、カーブ前減速制御とACCを併用した場合に発生する問題の一例の状況について、図を参照して説明する。
図４は、S字カーブ走行路を示した図であり、X1地点のカーブ半径R1が150[m]、X4地点のカーブ半径R4が100[m]となっている。図５は、このカーブ路を走行する際に、設定速度60[km/h]として、±0.1[m/s2]以内の横加速度で走行しようとした場合の挙動を示す。
X1地点では44.09[km/h]以下の速度で走行し、X4地点では36.00[km/h]以下の速度で走行する必要がある。このような場合、加減速を抑えるように走行しようとする場合、図５に示す速度波形1の車速となるように加減速操作を行う。また、設定車速に近づけて走ろうとする場合は、速度波形2に示す車速となるように加減速操作を行う。これに対してドライバは、速度波形1と速度波形2の間で、加減速の発生を抑えつつ、設定車速に近づけて走るように速度波形3に示すような加減速操作を行う。
そして、本発明の車両制御装置は、速度波形3に沿った加減速操作を行うため、以下に示す評価関数に沿って最適制御問題を解き、評価関数を最小化させるuh(t)を算出する。以下、順に評価関数の内容について説明する。
自車に発生する加減速の発生を抑えつつ前記速度波形1を算出しようとする関数faccelは、以下の数式で定義される。
Figure 2013248925
faccelは、加速度の絶対値をとることで、加速又は減速を行うと値を持ち、最小値であるゼロから遠ざかるため、加減速を行わないことが最適であることを表現している。
設定車速に、車速を近づけて走ることで前記速度波形2を算出しようとする関数fspdを以下の数式で定義する。
Figure 2013248925
fspdは、設定車速vtと自車速vhの差の絶対値をとることで、設定車速から自車速が離れると値を持ち、ゼロから遠ざかるため、自車速を設定車速に合わせて走行することが最適であることを表現している。
±0.1[m/s2]以内の横加速度で走行しようとする制約を設けるために用いる関数frg’ を以下の数式で定義する。
Figure 2013248925
frg’ はカーブ路を走行する際に発生する横加速度を表現しており、frg’ の値を0.1 [m/s2]以下に保つことで、横加速度の発生を抑えることを表現している。また、一般的なドライバはカーブ走行の際に、前方注視のドライバモデルに基づいてカーブ半径が変化する3[s]〜4[s]前から操舵を開始するため、Ｒの変化より早く横加速度が発生する。そのため、横加速度項に以下のような変更を行っている。
Figure 2013248925
frgは、frg’に対して、位置の関数を3.5 [s]ずらしているので、前方注視のドライバモデルに基づいているため、横加速度の発生タイミングと減速の発生タイミングを一致させることが可能となる。
上記の関数を組み合わせて、次式の評価関数とする。
Figure 2013248925
waccel及びwspdは任意の定数とし、faccelとfspdをバランスさせて速度波形3を調整するように設定する。速度波形1に近づけたい場合はfaccelを大きくし、速度波形2に近づけたい場合はfspdを大きくする。
さらに制約条件として、以下を設定する。
Figure 2013248925
制約条件として、横加速度の上限値が決められるため、カーブ走行時の速度を抑えて、安全な走行が可能となる。
さらに、制約条件として以下を設定する。
Figure 2013248925
制約条件として、加速度の上限値が決められるため、アクチュエータの限界を超えるような急減速又は急加速による制御を防止し、安全な走行が可能となる。
上記２つの制約条件を満たしつつ、上記評価関数を最小化するuh(t)を算出するため、制約としての安全性を確保した上で、ドライバに与える違和感を低減した走行が可能となる。
図６は、従来技術を用いた場合における、先行車追従中にカーブ進入の際の状況の推移を（１）から（４）に順次示す。図６の（１）において、直線路を50[km/h]で走行している先行車に、設定車速60[km/h]の自車が自車速50 [km/h]で追従している。次に、図６の（２）において、先行車がカーブに進入するため、速度を40[km/h]まで減速させる。それに合わせて、自車も40 [km/h] まで減速制御を行う。
さらに、図６の（３）において、カーブ路によりセンサ検知角度外に先行車を見失ってしまい、従来技術の車両制御装置によれば設定車速60 [km/h]まで加速する。そして、図６の（４）において、カーブでの横加速度を抑えるため40 [km/h]まで減速を行う。そのため、加減速を繰り替えし、ドライバが違和感を覚える制御となってしまう。
これに対し、前方にカーブがあることを加味し、先行車をセンサ検知できなくなった直後の加速を抑えて、先行車追従時の50[km/h]から、カーブ走行時の40[km/h]までゆるやかに減速するのが一般的なドライバの運転である。
図７は、先行車追従中にカーブ進入時の一般的なドライバの運転による車両挙動を実線で示し、従来制御手法を用いた場合の車両挙動を破線で示している。ここで注目すべきは、一般的なドライバが前方に減速の必要なカーブがあることを検知し、先行車との相対距離と相対速度を総合的に判断して、X2地点からX3地点にかけて加速を行わないことにある。
そして、本発明による車両制御装置では、加速度項の増加を抑えるため、減速度を必要とするカーブが検出されている場合には、先行車を見失った場合でも加速を抑制することができる。
また、先行車追従制御を行うようにするため、先行車との車間時間を保つため、関数fcrushを、以下の数式で定義する。
Figure 2013248925
fcrushは先行車位置までの到達時間を示しており、到達時間を一定以上とすることで自車の制動距離を確保する。そのため、前述の評価関数に対する制約条件として、到達時間についての次式を追加で定義する。
Figure 2013248925
この制約条件を追加することで、車間時間が2[s]以下になるような加速を避け、先行車の割り込み等で一時的に車間時間が短くなっても減速制御を行い、安全な追従走行をすることができる。
以上の評価関数を図２に示した車両制御装置100に組み込み、最適制御問題を解くこととなる。ただし、自車の走行開始地点から到達地点までの最適制御問題を車載用装置によって短時間に解くことは、全ての道路形状や他車の挙動を与えなければならないので困難である。そのため、リアルタイムで最適制御問題を解き続ける必要があり、モデル予測制御を用いることが望ましい。
モデル予測制御とは、現在の状態と車両モデルから予測した所定時間（以下「ホライゾン時間」と記述する。）以内の挙動に沿ってリアルタイムに最適制御問題を解く制御手法である。特に現在の状態から最適制御問題を解くため、先行車が急減速など想定外の動作をした場合において、過去の予測内容に対して自車の制御量を合わせることができる。また、ホライゾン時間を一定値で区切ることにより、走行開始から到達地点に到着するまでのように長時間の予測計算を要さず、処理負荷を超過した計算量になることを避けることができる。
しかし、車載機器に関してモデル予測制御を使用すると、減速制御対象の検出時にドライバの意図しない減速が発生するという問題が起り得る。その様子を、図８を用いて説明する。
図８は、前述の評価関数をそのままモデル予測制御として使用し、ホライゾン時間を20 [s]と設定した場合の波形である。設定車速による直線路走行からt=80[s]のタイミングでカーブに入っていく道路形状となるが、カーブに入る60[s]前のt=20[s]のタイミングから減速を開始している。通常のドライバの運転は、カーブに対して速度が速すぎる場合を除き、カーブに入る3〜4 [s]前から減速を行うのであり、60[s]前から減速を行うことはないので、ドライバの意図と不一致になってしまう。この現象が発生する原因を、図９を用いて説明する。
図９は、走行パターンu(t)〜u(t)’’の各走行パターンで走行した際の横加速度、加速度、速度の挙動を分かりやすくするためにデジタル波形で示したものである。点線u(t)は設定車速vtを維持したままホライゾン時間の間走行を継続する場合を示し、実線u(t)’は、事前に減速を入れてからホライゾン時間内に一定速度の走行を継続する場合を示し、実線u(t)’’は、カーブに入る直前で減速を入れる場合を示す。
u(t)を用いた場合、減速が発生しないため、ホライゾン時間以内に横加速度が0.1 [m/s2]を超過してしまうため、制約違反となってしまう。これを回避するために、横加速度が発生しないように減速制御が必要となる。そこでu(t)を、事前に減速するパターンのu(t)’又は直前に減速するパターンのu(t)’’のいずれかとする方法で変形させ、横減速度の波形をu(t)からu(t)’(u(t)’’)の波形に移動させ、ホライゾン時間から追い出すことで制約条件を満たす。その結果、ホライゾン時間以内で走行する距離を減らすことになるので、vhのホライゾン時間内の積分値を抑えることになる。
また、設定速度vtは一定であるため、積分値が等しければ、関数fspdは等しいため、u(t)’とu(t)’’のいずれが選ばれるかは決まらないが、図９の加速度のグラフに示すようにu(t)’の方が加速度絶対値の積分値が小さくなるため、関数faccelの評価において有利となり、結果的にホライゾン時間にカーブ路が検出された時点で事前減速が発生するようになってしまう。ただし、設定車速vtに合わせて走行しようとする項が働き続けるため、走行距離を減らしてホライゾン時間から横加速度波形を追い出すことができなくなる。
それが、図８のt=40[s]からt=80[s]にかけての波形であり、図１０に一度減速をやめてしまう原因を説明するため、デジタル波形で簡略化した図を示す。図１０において、点線u(t)に、図９にて示したカーブ突入時の減速制御後の車速を維持してカーブに進入した場合の挙動を示す。実線u(t)’に、カーブに入る直前に減速度を発生させる場合の挙動を示す。実線u(t)’’に、カーブ検知した状態から減速度を発生させる場合の挙動を示す。横加速度波形をホライゾン時間から追い出せない場合に制約を守る方法は、横加速度絶対値の最大値を抑えることが必要になる。
横加速度はRとvhより算出されるが、道路形状を変えることはできないため、車速を下げることで対応することになり、減速量を一定まで出す必要がある。つまり、関数faccelの積分値を一定以上にする必要がある。u(t)’はカーブ直前にまとめて減速度を発生させ、u(t)’’では減速度を連続的に発生させることで、関数faccelの積分値を一定以上にしている。図１０の状況では、図９とは逆に、関数faccelについての差分は無いため、u(t)’とu(t)’’のどちらが選ばれるかは決まらないが、関数fspdの評価においてu(t)’の方が有利となるため、カーブ直前に急減速を行うようになる。
そして、図９及び図１０で示した２つの現象が発生するため、図８で示すようにカーブが検出された瞬間の減速とカーブに入る直前での2回の減速が発生してしまう。対して、一般的なドライバは高速域から急カーブに進入する場合を除き、ドライバの前方注視モデルに基づき、カーブに入る3〜4[s]前まで減速制御をしないため、ドライバの意図した走行とは異なるため問題となる。
そのため、高速域から急カーブに突入する場合を除き、カーブに進入する3〜4[s]前まで横加速度に関する制約項を無効化させる。その一例を下記に示す。
Figure 2013248925
n = {1}の場合のfwrgの挙動を図１１に示す。fwrgは、カーブを表現するRの式で用いたシグモイド関数の形をしており、カーブの開始からvmax・tminを始点として、カーブ終了からvmax・tminまでの区間に立ち上がる関数とする。これを下記に示すように、横加速度に関する制約項の左辺にかけることで、ホライゾン時間の中にカーブが検出されても制約項を無効化することができるため、図８に示した2段階の減速制御が発生しないようにできる。
Figure 2013248925
この時、vmax及びtminは下記に基づいて決定される。
Figure 2013248925
vmaxは、設定車速vtと自車速vhから大きい方を選択し、現在の車速で走行し続けた場合と、走行途中に設定車速まで加速を行った場合を考慮して選択する。tminは、ドライバモデルにおける前方注視時間である3.5 [s]と、現在の自車速vhから最大の減速度を発生して横加速度の制約条件を逸脱しないようにできる時間から小さい値を選択する。Rminは横加速度の限界を検出するために用い、現時点から検出される範囲内において最小のカーブ半径となる値を設定する。こうすることで高速走行中にカーブに検出した際も横加速度の最大値を抑えることができる。

Claims (6)

  1. 自車速を検出する自車速検出手段と、
    ドライバの設定速度を検出するための設定速度検出手段と、
    自車量の先行車に対する車間距離を検出する車間距離検出手段と、
    自車両の走行する道路のカーブ形状を検出する道路形状検出手段と、
    前記車間距離検出手段の検出結果によって得た車間距離と前記自車速検出手段によって得た自車速に応じて先行車挙動を算出する先行車挙動予測手段と、
    前記道路形状検出手段の検出によって得た道路のカーブ形状に応じて擬似走行カーブを算出する擬似走行カーブ生成手段と、
    前記先行車挙動予測手段によって得た先行車挙動と前記擬似走行カーブ生成手段によって得た擬似カーブと前記設定速度検出手段によって得た設定速度からドライバの感じる違和感を低減させる加速度を算出する目標加速度生成手段と、
    前記目標加速度生成手段によって得た加速度に基づいて自車の加速度を制御するための加速手段及び減速手段を備えることを特徴とする車両制御装置。
  2. 請求項１に記載の車両制御装置において、前記目標加速度生成手段は、所定時間内の挙動を予測し、単位時間内に自車に発生する加速度を抑制するための加速度項を備えることを特徴とする車両制御装置。
  3. 請求項１に記載の車両制御装置において、前記目標加速度生成手段は、所定時間内の挙動を予測し、単位時間内に自車に発生する横加速度を抑制するための横加速度項を備えることを特徴とする車両制御装置。
  4. 請求項１に記載の車両制御装置において、前記目標加速度生成手段は、所定時間内の挙動を予測し、設定車速と自車速の乖離を抑制するための設定車速項を備えることを特徴とする車両制御装置。
  5. 請求項１に記載の車両制御装置において、前記目標加速度生成手段は、所定時間内の挙動を予測し、先行車への過剰な接近を抑制するための車間時間項を備えることを特徴とする車両制御装置。
  6. 請求項３に記載の横加速度項において、前方注視距離に基づくドライバモデルを考慮し、カーブ半径が変化する前から、横加速度が発生することを考慮した制御を行い、ドライバの操舵操作と減速制御によるタイミングを合わせることを特徴とする車両制御装置。
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