JP2017202755A - 車両の操舵制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】突起や段差等で左右前輪が路面から離れジャンプして目標制御量が途絶え、操舵角が変化させられても、再接地するまでに再接地後の車線形状に応じて車線逸脱を確実に防止することができる適切な目標操舵角を設定する。【解決手段】自動運転制御、又は、運転支援制御を実行する際、左右前輪の路面からのジャンプを検出判定処理し、左右前輪の路面からのジャンプを検出した後に、左右前輪が再接地する位置の目標コースの形状を推定し、ジャンプする前の目標コースの形状と、再接地する位置の目標コースの形状とを比較して該比較結果に基づいて目標操舵角θHtを算出し、少なくともジャンプした左右前輪が再接地する前に、算出した目標操舵角θHtをモータ駆動部２１に出力して電動パワーステアリングモータ１２を駆動させる。【選択図】図２

Description

本発明は、自動運転や運転支援機能で作動される操舵系で、特に車両の左右前輪がジャンプしても安定して作動する車両の操舵制御装置に関する。

近年、車両においては、ドライバの運転を、より快適に安全に行えるように自動運転やドライバの運転を支援する様々な技術が開発され、実用化されている。例えば、特開平７−１３７６４８号公報（以下、特許文献１）では、運動状態量の目標値と検出値の差に応じた補助舵角フィードバック操作量を用いて補助舵角制御を行う車両用補助舵角制御装置において、実ヨーレート信号の中の高周波成分の度合いが高く走行路面状態が悪路であると判断される場合には、補助舵角フィードバック操作量を低減補正する車両用補助舵角制御装置の技術が開示されている。

特開平７−１３７６４８号公報

ところで、上述の特許文献１に開示されるような車両用補助舵角制御装置での悪路による操舵量の補正以外にも、自動運転や運転支援制御による操舵制御中に、突起や段差等で左右前輪が路面から離れ、ジャンプした際には、環境認識機能が瞬間的に路面状況を見失うことで、制御装置が目標制御量（目標操舵角や目標操舵トルク）を精度良く設定することができず、再び車輪が接地した時の操舵角が適切な角度にならず、その結果、車両挙動を乱してしまう虞がある。また、突起や段差等に乗り上げる前と再接地後の車線形状が異なっていると、再接地後に適切な操舵が行われずに、車線を逸脱してしまう可能性もある。更に、突起や段差等に乗り上げることで操舵角が変化させられて、再び接地したときの操舵角が不適切となり、車両挙動を乱してしまう虞もある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、たとえ、突起や段差等で左右前輪が路面から離れジャンプして、目標制御量が途絶え、また操舵角が変化させられても、再び接地するまでに再接地後の車線形状に応じて車線逸脱を確実に防止することができる適切な目標操舵角を設定することが可能な車両の操舵制御装置を提供することを目的としている。

本発明の車両の操舵制御装置の一態様は、車両の前方環境を認識して前方環境情報を取得する前方環境認識手段と、上記前方環境情報に基づき、自車両が走行する目標コースを設定する目標コース設定手段と、左右前輪の路面からのジャンプを検出するジャンプ検出手段と、左右前輪の路面からのジャンプを検出した後に、ジャンプした左右前輪が再接地する位置の上記目標コースの形状を推定する再接地位置形状推定手段と、左右前輪がジャンプする前の上記目標コースの形状と、上記ジャンプした左右前輪が再接地する位置の上記目標コースの形状とを比較し、該比較結果に基づいて上記目標コースに沿って走行する目標制御量を算出する目標制御量算出手段と、少なくとも上記ジャンプした左右前輪が再接地する前に上記目標制御量に基づいて操舵制御を実行する操舵制御手段とを備えた。

本発明による車両の操舵制御装置によれば、たとえ、突起や段差等で左右前輪が路面から離れジャンプして、目標制御量が途絶え、また操舵角が変化させられても、再び接地するまでに再接地後の車線形状に応じて車線逸脱を確実に防止することができる適切な目標操舵角を設定することが可能となる。

本発明の実施の第１形態に係る車両の操舵系の構成説明図である。 本発明の実施の第１形態に係る操舵制御プログラムのフローチャートである。 本発明の実施の第１形態に係る左右前輪がジャンプする前と再接地する位置の目標コース形状の説明図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１において、符号１は操舵角をドライバ入力と独立して設定自在な電動パワーステアリング装置を示し、この電動パワーステアリング装置１は、ステアリング軸２が、図示しない車体フレームにステアリングコラム３を介して回動自在に支持されており、その一端が運転席側へ延出され、他端がエンジンルーム側へ延出されている。ステアリング軸２の運転席側端部には、ステアリングホイール４が固設され、また、エンジンルーム側へ延出する端部には、ピニオン軸５が連設されている。

エンジンルームには、車幅方向へ延出するステアリングギヤボックス６が配設されており、このステアリングギヤボックス６にラック軸７が往復移動自在に挿通支持されている。このラック軸７に形成されたラック（図示せず）に、ピニオン軸５に形成されたピニオンが噛合されて、ラックアンドピニオン式のステアリングギヤ機構が形成されている。

また、ラック軸７の左右両端はステアリングギヤボックス６の端部から各々突出されており、その端部に、タイロッド８を介してフロントナックル９が連設されている。このフロントナックル９は、操舵輪としての左右前輪１０Ｌ，１０Ｒを回動自在に支持すると共に、車体フレームに転舵自在に支持されている。従って、ステアリングホイール４を操作し、ステアリング軸２、ピニオン軸５を回転させると、このピニオン軸５の回転によりラック軸７が左右方向へ移動し、その移動によりフロントナックル９がキングピン軸（図示せず）を中心に回動して、左右前輪１０Ｌ，１０Ｒが左右方向へ転舵される。

また、ピニオン軸５にアシスト伝達機構１１を介して、電動パワーステアリングモータ（電動モータ）１２が連設されており、この電動モータ１２にてステアリングホイール４に加える操舵トルクのアシスト、及び、設定された目標制御量（目標操舵角や目標操舵トルク）の付加が行われる。電動モータ１２は、後述する操舵制御部２０から制御出力値としての電動パワーステアリングモータ電流値がモータ駆動部２１に出力されてモータ駆動部２１により駆動される。

操舵制御部２０は、図示しない自動運転制御装置、又は、運転支援制御装置と接続されており、車両が走行する目標コース（例えば、車線中央）を設定し、該目標コースに対して、周知のフィードフォワード制御、フィードバック制御等の制御を行って、設定される目標コースに沿って、或いは、車線から逸脱しないように車両を走行制御する。

このため、操舵制御部２０には、車両の前方環境を認識して前方環境情報を取得する前方環境認識装置３１、自車位置情報（緯度・経度、移動方向等）を検出して地図情報上に自車両位置の表示、及び、目的地までの経路誘導を行うナビゲーションシステム３２、車速Ｖ、操舵角θＨ、左前輪サスペンションストロークＳＴfl、右前輪サスペンションストロークＳＴfr、前後加速度Ｇｘ、平面に対しての乗り上げ角度であるジャンプ角α等を検出し、また、自動運転に係る種々の設定（自動運転のＯＮ−ＯＦＦ、速度の設定、先行車追従制御の設定（追従距離、追従発進、追従停止のＯＮ−ＯＦＦ等）、加減速度の上下限値、その他機能の制限等）、ブレーキペダルのＯＮ−ＯＦＦ、アクセルペダルのＯＮ−ＯＦＦ等が入力されるセンサ・スイッチ３３、前方環境認識装置３１やナビゲーションシステム３２からの情報や自動運転に係る情報を報知する液晶ディスプレイや音声スピーカ等の報知装置３４が接続されている。

前方環境認識装置３１は、例えば、車室内の天井前方に一定の間隔をもって取り付けられ、車外の対象を異なる視点からステレオ撮像する１組のカメラと、このカメラからの画像データを処理するステレオ画像処理装置とから構成されている。

前方環境認識装置３１のステレオ画像処理装置における、カメラからの画像データの処理は、例えば以下のように行われる。まず、カメラで撮像した自車両の進行方向の１組のステレオ画像対に対し、対応する位置のずれ量から距離情報を求め、距離画像を生成する。

白線等の車線区画線のデータの認識では、白線は道路面と比較して高輝度であるという知得に基づき、道路の幅方向の輝度変化を評価して、画像平面における左右の車線区画線の位置を画像平面上で特定する。この車線区画線の実空間上の位置（ｘ，ｙ，ｚ）は、画像平面上の位置（ｉ，ｊ）とこの位置に関して算出された視差とに基づいて、すなわち、距離情報に基づいて、周知の座標変換式より算出される。自車両の位置を基準に設定された実空間の座標系は、本実施の形態では、カメラの中央真下の道路面を原点として、車長方向（距離方向）をｘ軸、車幅方向をｙ軸、車高方向をｚ軸とする。このとき、ｘ−ｙ平面（ｚ＝０）は、道路が平坦な場合、道路面と一致する。道路モデルは、道路上の自車両の走行レーンを距離方向に複数区間に分割し、各区間における左右の車線区画線を所定に近似して連結することによって表現される。

また、前方環境認識装置３１は、三次元の距離分布を表す距離画像のデータを基に、周知のグルーピング処理や、予め記憶しておいた三次元的な道路形状データ、立体物データ等と比較し、道路に沿って存在するガードレール、縁石、中央分離帯等の側壁データ、車両等の立体物データを抽出する。立体物データでは、立体物までの距離と、この距離の時間的変化（自車両に対する相対速度）が求められ、特に自車進行路上にあるもっとも近い車両で、自車両と略同じ方向に所定の速度（例えば、０km/h以上）で走行するものが先行車として抽出される。尚、先行車の中で速度が略０km/hである車両は、停止した先行車として認識される。

また、ナビゲーションシステム３２は、周知のシステムであり、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星からの電波信号を受信して車両の位置情報（緯度、経度）を取得し、センサ３３から車速を取得し、また、地磁気センサあるいはジャイロセンサ等により、移動方向情報を取得する。そして、ナビゲーションシステム３２は、ナビゲーション機能を実現するための経路情報を生成するナビＥＣＵと、地図情報（サプライヤデータ、及び、所定に更新されたデータ）を記憶する地図データベース（以上、何れも図示せず）を備え、情報を報知装置３４から出力する。

ナビＥＣＵは、利用者によって指定された目的地までの経路情報を地図画像に重ねて報知装置３４で表示させるとともに、検出された車両の位置、速度、走行方向等の情報に基づき、車両の現在位置を報知装置３４上の地図画像に重ねて表示する。また、地図データベースには、ノードデータ、施設データ等の道路地図を構成するのに必要な情報が記憶されている。ノードデータは、地図画像を構成する道路の位置及び形状に関するものであり、例えば道路（車線）の幅方向中心点、道路の分岐点（交差点）を含む道路上の点（ノード点）の座標（緯度、経度）、当該ノード点が含まれる道路の方向、種別（例えば、高速道路、幹線道路、市道といった情報）、当該ノード点における道路のタイプ（直線区間、円弧区間（円弧曲線部）、クロソイド曲線区間（緩和曲線部））及びカーブ曲率（或いは、半径）のデータが含まれる。このように、本実施の形態では、前方環境認識装置３１、ナビゲーションシステム３２は、前方環境認識手段として設けられている。

そして、操舵制御部２０は、上述の各入力信号に基づき、車両が走行する目標コース（例えば、車線中央）を設定し、該目標コースに対して、周知のフィードフォワード制御、フィードバック制御等の制御を行って、設定される目標コースに沿って、或いは、車線から逸脱しないように車両を走行制御する自動運転制御、又は、運転支援制御を実行する。この際、操舵制御部２０は、左右前輪１０Ｌ，１０Ｒの路面からのジャンプを検出判定処理し、左右前輪１０Ｌ，１０Ｒの路面からのジャンプを検出した後に、ジャンプした左右前輪１０Ｌ，１０Ｒが再接地する位置の目標コースの形状を推定し、左右前輪１０Ｌ，１０Ｒがジャンプする前の目標コースの形状と、ジャンプした左右前輪１０Ｌ，１０Ｒが再接地する位置の目標コースの形状とを比較して該比較結果に基づいて目標コースに沿って走行する目標制御量（本実施の形態では、目標操舵角θHt）を算出し、少なくともジャンプした左右前輪１０Ｌ，１０Ｒが再接地する前に、算出した目標操舵角θHtに相当するモータ電流値をモータ駆動部２１に出力して電動パワーステアリングモータ（電動モータ）１２を駆動させる。このように、操舵制御部２０は、目標コース設定手段、ジャンプ検出手段、再接地位置形状推定手段、目標制御量算出手段、操舵制御手段として設けられている。

次に、操舵制御部２０で実行される操舵制御プログラムを、図２のフローチャートで説明する。

まず、ステップ（以下、「Ｓ」と略称）１０１で、左右前輪１０Ｌ，１０Ｒがジャンプする前の操舵角を判定前操舵角θH1としてセンサ３３により検出してメモリする。

次いで、Ｓ１０２に進み、左右前輪１０Ｌ，１０Ｒのジャンプ判定処理を実行する。

このジャンプ判定処理は、例えば、以下の３つの場合の何れか複数が成立する際に、左右前輪１０Ｌ，１０Ｒがジャンプしたと判定する。
・前方環境認識装置３１による画像情報で走行路面が認識でき、認識した走行路面の高さが、予め実験、計算等により設定しておいた閾値よりも異なった高さと認識できる場合。
・センサ３３による、左前輪サスペンションストロークＳＴflと右前輪サスペンションストロークＳＴfrとが共に、予め実験、計算等により設定しておいた閾値を超えた場合。
・センサ３３による、前後加速度Ｇｘが、予め実験、計算等により設定しておいたジャンプすると判定できる閾値を超えた場合。

次に、Ｓ１０３に進み、Ｓ１０２のジャンプ判定処理の結果、左右前輪１０Ｌ，１０Ｒにジャンプが発生したか否か判定し、ジャンプが発生していないと判定した場合は、そのままプログラムを抜け、ジャンプが発生したと判定した場合は、Ｓ１０４に進む。

Ｓ１０４では、操舵制御部２０で目標操舵角θHtの信号が算出されて設定されているか否か判定される。

このＳ１０４の判定の結果、目標操舵角θHtの信号が非設定と判定した場合は、例えば、左右前輪１０Ｌ，１０Ｒのジャンプ発生により、前方環境認識装置３１からの信号が取得できず、目標操舵角θHtが算出できなくなっていることが考えられる。こうした状況で、必要以上に操舵角が切り増しされることを抑制するため、Ｓ１０５に進み、判定前操舵角θHtを目標操舵角θHtとして設定し、出力する（θHt＝θHt）。

一方、Ｓ１０４の判定の結果、目標操舵角θHtの信号が設定されていると判定した場合は、Ｓ１０６に進み、左右前輪１０Ｌ，１０Ｒがジャンプした後の操舵角を判定後操舵角θH2としてセンサ３３により検出してメモリする。

次いで、Ｓ１０７に進み、判定前操舵角θH1と判定後操舵角θH2の差（操舵角θＨの変化）を操舵角変化Δθとして算出する。

次に、Ｓ１０８に進み、左右前輪１０Ｌ，１０Ｒがジャンプしたジャンプ時間ｔｊを、例えば、以下の（１）式により算出する。

ｔｊ＝２・Ｖ・ｓｉｎ（α）／ｇ …（１）
ここで、ｇは重力加速度である。

次いで、Ｓ１０９に進み、図３に示すように、ジャンプ時間ｔｊを基に、ジャンプしてから再接地するまでの距離（ジャンプ距離）Ｌｔを、例えば、以下の（２）式により推定する。

Ｌｔ＝Ｖ・ｔｊ …（２）
次に、Ｓ１１０に進み、自車両が走行する車線のジャンプ前とジャンプ後の形状変化（車線変化Δκ）を、例えば、目標コースのカーブ曲率を比較することで算出する。

具体的には、車線の目標コースを、例えば、２次元座標（ｘ−ｙ座標）上に表現し、目標コースのそれぞれを構成する点に関して、二次の最小自乗法によって計算された二次項の係数を用いることによって近似される。例えば、ｙ＝ａ・ｘ²＋ｂ・ｘ＋ｃの二次式で目標コースを近似した場合、「２・ａ」の値が曲率成分として近似できる。従って、図３に示すように、ジャンプ前のカーブ曲率κ１をジャンプ前に近似されていた、図３中、自車両がＰ１の位置における目標コースの値から算出し、ジャンプ後のカーブ曲率κ２を、上述のジャンプ距離Ｌｔにおいて近似される、図３中、自車両がＰ２の位置における目標コースの値から算出し、これらの差（Δκ＝κ１−κ２）を求めることにより比較するのである。尚、上述のジャンプ距離Ｌｔにおいて近似される目標コースは、前方環境認識装置３１の画像情報から得られるものであっても良く、或いは、ナビゲーションシステム３２の地図情報から得られるものであっても良い。また、ナビゲーションシステム３２の地図情報からジャンプ前のカーブ曲率κ１とジャンプ後のカーブ曲率κ２の両方を得るようにしても良い。更に、本実施の形態では、目標コースのカーブ曲率を比較することで自車両が走行する車線のジャンプ前とジャンプ後の形状変化を算出するようにしているが、カーブ半径を比較することで算出するようにしても良い。

次いで、Ｓ１１１に進み、自車両が走行する車線のジャンプ前とジャンプ後の形状変化（車線変化Δκ）が小さいか否か判定する。これは、車線変化の絶対値｜Δκ｜が、予め実験、計算等により設定しておいた閾値ｋｃ以下（｜Δκ｜≦ｋｃ）か否か判定することにより行われる。

この判定の結果、｜Δκ｜＞ｋｃであり、自車両が走行する車線のジャンプ前とジャンプ後の形状変化（車線変化Δκ）が大きいと判定できる場合は、Ｓ１１２に進み、上述の再接地するジャンプ距離Ｌｔに基づく目標操舵角θHtを算出し、出力する。このジャンプ距離Ｌｔに基づく目標操舵角θHtは、例えば、以下の（３）式により算出できる。

θHt＝（１＋Ａ・Ｖ²）・ｌ・ｎ・κ２ …（３）
ここで、Ａは車両固有のスタビリティファクタ、ｌはホイールベース、ｎはステアリングギヤ比である。

また、ジャンプ距離Ｌｔに基づく目標操舵角θHtを出力する際には、ジャンプ前の操舵角からの急変が生じる虞があるため、目標操舵角θHtへの変化に所定の制限（レートリミット処理等）を設ける。

一方、Ｓ１１１の判定で、｜Δκ｜≦ｋｃであり、自車両が走行する車線のジャンプ前とジャンプ後の形状変化（車線変化Δκ）が小さいと判定できる場合は、Ｓ１１３に進む。

Ｓ１１３では、Ｓ１０７で算出した操舵角変化の絶対値｜Δθ｜と予め実験、計算等により設定しておいた閾値θｃとの比較が行われる。

このＳ１１３の比較の結果、｜Δθ｜＜θｃであり、判定前操舵角θH1と判定後操舵角θH2の差が小さく、ジャンプによる操舵角の変化が小さいと判定される場合は、前述のＳ１０５に進み、判定前操舵角θHtを目標操舵角θHtとして設定し、出力する（θHt＝θHt）。

逆に、｜Δθ｜≧θｃであり、判定前操舵角θH1と判定後操舵角θH2の差が大きく、ジャンプによる操舵角の変化が大きいと判定される場合は、ジャンプにより操舵角が変化させられたことが考えられるので、Ｓ１１４に進み、判定後操舵角θH2を判定前操舵角θH1に戻すべく、判定前操舵角θH1を目標操舵角θHtとして出力する。この場合も、判定後操舵角θH2と判定前操舵角θH1の差が大きく、判定前操舵角θH1を目標操舵角θHtとする際には、判定後操舵角θH2からの操舵角の変化が急変過ぎないように、目標操舵角θHtへの変化に所定の制限（レートリミット処理等）を設ける。

このように本発明の実施の形態によれば、設定される目標コースに沿って、或いは、車線から逸脱しないように車両を走行制御する自動運転制御、又は、運転支援制御を実行する際、左右前輪１０Ｌ，１０Ｒの路面からのジャンプを検出判定処理し、左右前輪１０Ｌ，１０Ｒの路面からのジャンプを検出した後に、ジャンプした左右前輪１０Ｌ，１０Ｒが再接地する位置の目標コースの形状を推定し、左右前輪１０Ｌ，１０Ｒがジャンプする前の目標コースの形状と、ジャンプした左右前輪１０Ｌ，１０Ｒが再接地する位置の目標コースの形状とを比較して該比較結果に基づいて目標コースに沿って走行する目標操舵角θHtを算出し、少なくともジャンプした左右前輪１０Ｌ，１０Ｒが再接地する前に、算出した目標操舵角θHtに相当するモータ電流値をモータ駆動部２１に出力して電動パワーステアリングモータ（電動モータ）１２を駆動させる。このため、たとえ、突起や段差等で左右前輪が路面から離れジャンプして、目標制御量が途絶え、また操舵角が変化させられても、再び接地するまでに再接地後の車線形状に応じて車線逸脱を確実に防止することができる適切な目標操舵角を設定することが可能となる。

１ 電動パワーステアリング装置
２ ステアリング軸
４ ステアリングホイール
５ ピニオン軸
１０Ｌ、１０Ｒ 車輪
１２ 電動モータ
２０ 操舵制御部（目標コース設定手段、ジャンプ検出手段、再接地位置形状推定手段、目標制御量算出手段、操舵制御手段）
２１ モータ駆動部
３１ 前方環境認識装置（前方環境認識手段）
３２ ナビゲーションシステム（前方環境認識手段）
３３ センサ・スイッチ
３４ 報知装置

Claims (6)

1. 車両の前方環境を認識して前方環境情報を取得する前方環境認識手段と、
   上記前方環境情報に基づき、自車両が走行する目標コースを設定する目標コース設定手段と、
   左右前輪の路面からのジャンプを検出するジャンプ検出手段と、
   左右前輪の路面からのジャンプを検出した後に、ジャンプした左右前輪が再接地する位置の上記目標コースの形状を推定する再接地位置形状推定手段と、
   左右前輪がジャンプする前の上記目標コースの形状と、上記ジャンプした左右前輪が再接地する位置の上記目標コースの形状とを比較し、該比較結果に基づいて上記目標コースに沿って走行する目標制御量を算出する目標制御量算出手段と、
   少なくとも上記ジャンプした左右前輪が再接地する前に上記目標制御量に基づいて操舵制御を実行する操舵制御手段と、
   を備えたことを特徴とする車両の操舵制御装置。
2. 上記目標制御量算出手段は、上記左右前輪がジャンプする前の上記目標コースの形状と、上記ジャンプした左右前輪が再接地する位置の上記目標コースの形状とが一致する場合は、上記左右前輪がジャンプする前の操舵角を保持するように上記目標制御量を算出することを特徴とする請求項１記載の車両の操舵制御装置。
3. 上記目標制御量算出手段は、上記左右前輪がジャンプする前の上記目標コースの形状と、上記ジャンプした左右前輪が再接地する位置の上記目標コースの形状とが不一致の場合は、上記ジャンプした左右前輪が再接地する位置の上記目標コースの形状に基づいて上記目標制御量を算出することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両の操舵制御装置。
4. 上記目標制御量算出手段は、上記左右前輪がジャンプする前の操舵角と上記左右前輪がジャンプした後の操舵角とが予め設定した閾値を超えて異なる場合は、上記左右前輪がジャンプする前の操舵角を保持するように上記目標制御量を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の車両の操舵制御装置。
5. 上記目標制御量算出手段は、上記左右前輪がジャンプした後に上記目標制御量の設定が無い場合には、上記左右前輪がジャンプする前の操舵角を保持するように上記目標制御量を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の車両の操舵制御装置。
6. 上記再接地位置形状推定手段は、上記目標コースの形状を該目標コースのカーブ曲率とカーブ半径の少なくとも一方を推定するものであって、
   目標制御量算出手段は、上記左右前輪がジャンプする前の上記目標コースの形状と上記ジャンプした左右前輪が再接地する位置の上記目標コースの形状との比較を、それぞれのカーブ曲率とカーブ半径の少なくとも一方を比較することで行うことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載の車両の操舵制御装置。

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