JP2018197078A - 操舵支援装置、操舵支援方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】自動車の操舵支援において、支援効果を確保しつつ、ドライバの違和感を低減する。【解決手段】操舵支援装置１０は、自車両の目標軌道に応じた目標操舵角θ＊を算出する目標操舵角算出部２３と、前記自車両の操舵角θと前記目標操舵角との差の時間変化率に応じた大きさの操舵支援トルクを算出する操舵支援トルク算出部２４と、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、操舵支援装置、操舵支援方法及びプログラムに関する。

ドライバが自ら運転し、演算装置が算出した操舵トルクでドライバの操舵を支援する協調運転に関する技術として、以下の技術が知られている。

例えば、特許文献１には、走行中の車の前方道路の車線状態を知る第１の手段と、自車の道路車線に対する現在の位置関係を知る第２の手段と、第１、第２の手段の出力から前方道路車線に対する自車の位置関係を維持するために必要な操舵量を算出する第３の手段と、現在の操舵量を検出する第４の手段と、第３の手段が算出した操舵量と第４の手段が検出した操舵量との差分が少なくなるように操向装置を駆動する第１の駆動手段とからなる車両の操舵角補正装置が記載されている。

また、非特許文献１には、算出されたステアリングホイールの目標操舵角と実際の操舵角との差に応じてステアリングホイールに操舵支援トルクを発生させることが記載されている。

特開平９−１２８６９９号公報

BMW Heading control J.P. Pauwelussen: " Vehicle performance" -1999 - Technology & Engineering

上記の特許文献１及び非特許文献１に記載の技術は、いずれも、いわゆる「自動運転」を行う場合の計算と同様の計算を行って、自動車の目標軌道を走行するための目標操舵角を計算するものである。従って、例えば、システムが算出した目標軌道が車線中央である場合、自動車が車線中央を走行するように操舵支援トルクがステアリングホイールに加えられる。上記の特許文献１及び非特許文献１に記載の技術は、主に高速道路を走行することを前提としており、一般道路の交差点での右左折等については記されていない。しかしながら、そのコンセプトに従えば、交差点での右左折でも、システムによって算出された目標軌道を追従させるように操舵支援トルクがステアリングホイールに加えられるものと考えられる。

しかしながら、人間の運転には個人差があり、また同一ドライバでも目標とする走行軌道にはばらつきが生じる。従って、システムによって算出された目標軌道と、ドライバが定めた目標軌道とが完全に一致することはない。従来の協調運転システムにおいては、演算装置によって算出された目標軌道にドライバを誘導するように操舵支援トルクが発生する。ドライバは、この操舵支援トルクを感じながら、システムが「適切」と決めた目標軌道を追従するように誘導され操舵を行うことになる。

発明者らの実験によって、操舵支援トルクが大きければ、ドライバはシステムが定めた目標軌道に確実に誘導され、走行軌道にばらつきが生じないことが確認されている。一方、操舵支援トルクが小さいと、目標軌道からのばらつきは大きくなり、支援効果は低減する。しかし、交通状況によっては、システムが「適切」と定めた目標軌道が、ドライバにとっては適切とはいえない場合がある。例えば、対面通行の片側一車線の道路において、大型トラックが対向車線を絶え間なく走行しているような状況では、ドライバは、車線中央よりもやや左側を走行したいと感じる。システムが「適切」と定めた目標軌道が車線中央である場合、ドライバが車線左寄りを走行しようとすると、定常的に操舵支援トルクがステアリングホイールに付加され、ドライバは、これに抗って操舵を行うことになるので、車両を直進状態に維持することが困難となる。

また、交差点を右折する場合において、対向車がいる場合には、対向車が交差点に進入する前に、交差点内側をショートカットして走行する場合もある。このように、ドライバの目標軌道は交通環境によって変化するものと考えられるが、システムが交通環境に応じて目標軌道を変更しない限り、ドライバは、操舵支援トルクに抗って操舵を行うことになり、違和感を伴う。

また、従来の操舵支援技術によれば、左右のカーブが連続する道路を走行する場合には、操舵支援トルクが大きいと、カーブ出口でハンドルが中央へ戻ろうとするいわゆるセルフアライニングトルクも操舵支援トルクによって補償されるので、ドライバは、手放しに近い状態で運転可能となる。このような場合には、ドライバは「自動運転」と勘違いし、システムを過信し、システムに運転を依存してしまうおそれがある。

また、仮にシステムが定めた目標軌道と、ドライバが定めた目標軌道とが一致した場合でも、自動車の横変位は操舵角の二階積分で発生するため、同じ軌道を走行するためのハンドル操作方法は無限に存在する。従って、システムが定めた目標操舵角と、ドライバの操舵角とを一致させることは困難である。特に、システムとドライバとの間で操舵角速度まで一致させることは困難である。従って、システムが定めた目標軌道にドライバを誘導するように定常的に操舵支援トルクを発生させる従来の操舵支援技術によれば、ドライバが違和感を覚えることが多かった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、自動車の操舵支援において、支援効果を確保しつつ、ドライバの違和感を低減することを目的とする。

本発明に係る操舵支援装置は、自車両の目標軌道に応じた目標操舵角を算出する目標操舵角算出部と、前記自車両の操舵角と前記目標操舵角との差の時間変化率に応じた大きさの操舵支援トルクを算出する操舵支援トルク算出部と、を含む。

前記操舵支援トルク算出部は、前記時間変化率が大きくなる程、大きくなるように前記操舵支援トルクを算出してもよい。この場合、前記操舵支援トルク算出部は、前記時間変化率の増加に対して前記操舵支援トルクの大きさを飽和させてもよい。また、前記操舵支援トルク算出部は、前記時間変化率が所定値よりも大きい場合に、前記操舵支援トルクの大きさを前記時間変化率の増加に伴って小さくしてもよい。

前記操舵支援トルク算出部は、前記時間変化率がゼロの場合に、前記操舵支援トルクの大きさをゼロとしてもよい。

本発明に係る操舵支援装置は、前記自車両の前方を撮影し、画像データを生成するカメラと、前記画像データに基づいて、前記自車両の姿勢を算出する姿勢検出部と、前記姿勢算出部によって算出された前記自車両の姿勢に基づいて前記目標軌道を算出する目標軌道算出部と、前記自車両の操舵角を検出する操舵角センサと、前記操舵支援トルク算出部によって算出された大きさの操舵支援トルクを発生させるモータと、を更に含み得る。

本発明に係る操舵支援装置は、操舵トルクを検出するトルクセンサを更に含み得る。この場合、前記操舵支援トルク算出部は、前記トルクセンサによって検出された操舵トルクの大きさが所定値を超えた場合に、前記操舵支援トルクの大きさをゼロとしてもよい。

本発明に係るプログラムは、コンピュータを、上記の操舵支援装置における前記操舵支援トルク算出部として機能させるためのプログラムである。

本発明に係る操舵支援方法は、自車両の操舵角を検出するステップと、自車両の目標軌道に応じた目標操舵角を算出するステップと、前記操舵角と前記目標操舵角との差の時間変化率に応じた大きさの操舵支援トルクを算出するステップと、を含む。前記時間変化率が大きくなる程、大きくなるように前記操舵支援トルクを算出してもよい。

本発明によれば、自動車の操舵支援において、支援効果を確保しつつ、ドライバの違和感を低減することが可能となる。

本発明の実施形態に係るステアリングシステムの構成の一例を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る操舵支援装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る操舵支援トルク算出部によって実施される処理を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る操舵支援トルク算出部におけるゲインの周波数特性を示す図である。 本発明の実施形態に係る操舵支援トルク算出部における位相の周波数特性を示す図である。 本発明の実施形態に係るコンピュータの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る操舵支援装置において実施される処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る操舵支援装置の動作の一例を時間領域で示したグラフである。 比較例に係る操舵支援トルク制御の一例を時間領域で示したグラフである。 本発明の他の実施形態に係る操舵支援装置の動作の一例を時間領域で示したグラフである。 本発明の他の実施形態に係る操舵支援トルク算出部におけるゲインの周波数特性を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る操舵支援トルク算出部における位相の周波数特性を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る操舵支援装置の構成を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る操舵支援装置において実施される処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るステアリングシステムの構成の一例を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素および部分には同一の参照符号を付与し、重複する説明は適宜省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る操舵支援装置１０（図２参照）が適用される、電動パワーステアリング機構を備えたステアリングシステム１００の構成の一例を模式的に示す図である。ステアリングシステム１００は、ステアリングホイール１０１、ステアリングシャフト１０２、ラックアンドピニオン式ステアリングギア１０３、サイドロッド１０４、ナックルアーム１０５、操舵角センサ１１０、トルクセンサ１２０、モータ１３０及びギア１３１、１３２を含んで構成されている。ステアリングホイール１０１の回転は、ステアリングシャフト１０２、ラックアンドピニオン式ステアリングギア１０３を介してサイドロッド１０４の並進運動に変換され、更に、ナックルアーム１０５によってタイヤ１４０の回転に変換される。ステアリングホイール１０１の回転は、例えば２０分の１程度に減速されてタイヤ１４０の回転に変換される。

操舵角センサ１１０は、ステアリングシャフト１０２上に設けられており、ステアリングホイール１０１の回転角度、すなわち操舵角θを検出し、検出した操舵角θの大きさを示す操舵角検出信号を出力する。

トルクセンサ１２０は、ステアリングシャフト１０２上に設けられており、ステアリングシャフト１０２に生じる操舵トルクを検出し、検出した操舵トルクの大きさを示す操舵トルク検出信号を出力する。

モータ１３０は、トルクセンサ１２０から出力される操舵トルク検出信号に基づいて、ドライバによって印加される操舵トルクを減少させる方向に補助トルクを発生させる。すなわち、モータ１３０は、パワーステアリング機能を実現するための補助トルク発生手段として機能する。モータ１３０が発生させた補助トルクは、ギア１３１、１３２を介してステアリングシャフト１０２に伝達される。

本実施形態において、モータ１３０は、パワーステアリング機能を実現するための補助トルク発生手段として機能するだけでなく、自車両を目標軌道に誘導する協調運転を実現するための操舵支援トルク発生手段としても機能する。モータ１３０は、パワーステアリング機能を実現するための補助トルクとは独立に、協調運転を実現するための操舵支援トルクを発生させる。

図２は、本発明の実施形態に係る操舵支援装置１０の構成を示すブロック図である。操舵支援装置１０は、カメラ１１、操舵角センサ１１０、モータ１３０、モータ駆動回路１３５、姿勢算出部２１、目標軌道算出部２２、目標操舵角算出部２３、操舵支援トルク算出部２４を含んで構成されている。

カメラ１１は、例えば、自動車のルームミラーの上部に取り付けられており、自車両の前方を継続的に撮影し、自車両の前方の路面を含む前方画像の画像データを生成する。

姿勢算出部２１は、カメラ１１から供給される画像データから、例えば、路面上の白線のエッジを検出することで、自車両が走行している車線を特定すると共に、当該車線に対する自車両の姿勢（位置及び向き）を算出する。なお、道路地図及び高精度ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）を用いて自車両の姿勢を算出してもよい。車線に対する自車両の姿勢（位置及び向き）を算出する技術は公知であり、例えば、本発明者による下記の論文に関連する記載がある。
古性裕之，毛利宏，自動車線追従走行の検討 第２報：曲線部走行時の制御について，自動車技術会論文集，Vol.30,No.2,pp.105-111(1999)

目標軌道算出部２２は、自車両が走行すべき目標軌道を算出する。目標軌道算出部２２は、例えば、姿勢算出部２１によって特定された車線の中央を走行する軌道を、自車両の目標軌道として定めてもよい。

目標操舵角算出部２３は、目標軌道算出部２２によって算出された目標軌道を追従するための操舵角を目標操舵角θ^＊として算出する。なお、目標軌道を追従する目標操舵角を算出する技術は公知であり、例えば、本発明者による下記の論文に関連する記載がある。下記の論文には、ある時間経過後に前方の目標地点に到達するために必要な目標ヨーレイトを算出し、それを実現するように操舵する方法が記載されている。
古性裕之,風間恵介, 孕石泰丈,毛利宏“複数の前方注視点を用いた車線追従制御側の提案-定常旋回における定常偏差除去と減衰性向上が可能な車線追従制御則-”，自動車技術会論文集,Vol.45, No.2 (2014.3), pp.315-321

操舵支援トルク算出部２４は、操舵角センサ１１０から出力される操舵角検出信号によって示される自車両の実際の操舵角θと、目標操舵角算出部２３によって算出された目標操舵角θ^＊との差分Δθ（＝θ−θ^＊）の時間変化率に基づいて、操舵支援トルクＴを算出する。より具体的には、操舵支援トルク算出部２４は、操舵角θと目標操舵角θ^＊との差分Δθの時間変化率が大きくなる程、大きい値の操舵支援トルクＴを算出する。操舵支援トルク算出部２４によって算出された操舵支援トルクＴの大きさを示すトルク指令値は、モータ駆動回路１３５に供給される。

モータ駆動回路１３５は、操舵支援トルク算出部２４から供給されるトルク指令値に基づいて、モータ１３０を駆動する。モータ１３０は、モータ駆動回路１３５による制御の下で、操舵支援トルク算出部２４によって算出された大きさの操舵支援トルクを発生させる。モータ１３０は、パワーステアリング機能を実現するための補助トルクとは独立に、操舵支援トルクを発生させる。

図３は、操舵支援トルク算出部２４によって実施される操舵支援トルク算出処理を模式的に示す図である。操舵支援トルク算出部２４は、操舵角θ及び目標操舵角θ^＊を制御入力とし、伝達関数Ｇを用いた演算処理を行うことで、操舵支援トルクＴを算出する。具体的な伝達関数として、下記の（１）式を例示することができる。

（１）式において、Ｋは定常ゲイン、ｓはラプラス演算子、τ_０は遅れ時定数、τ_１は進み時定数であり、τ_１＞τ_０である。なお、定常ゲインＫは操舵角に対して非線形であってもよい。

図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、（１）式に示す伝達関数の周波数応答を示すグラフであり、図４Ａは、ゲイン（Δθが１°の場合に発生する操舵支援トルク）の周波数特性、図４Ｂは、位相の周波数特性である。図４Ａに示すように、Δθ（＝θ−θ^＊）の周波数が高くなる程、ゲインは大きくなっている。すなわち、操舵支援トルク算出部２４は、Δθの時間変化率が大きくなる程、大きい値の操舵支援トルクＴを算出する。また、操舵支援トルク算出部２４は、Δθの周波数変化に対して、操舵支援トルクＴの大きさを飽和させる。すなわち、操舵支援トルクＴには上限値が設定されており、Δθの時間変化率の増加に対して操舵支援トルクＴの大きさが上限値を超えないように制御される。

操舵支援装置１０を構成する姿勢算出部２１、目標軌道算出部２２、目標操舵角算出部２３及び操舵支援トルク算出部２４は、例えば、図５に示すコンピュータ２００によって構成することができる。コンピュータ２００は、バス２１０を介して相互に接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１、主記憶装置２０２、補助記憶装置２０３、入出力部（Ｉ／Ｏ）２０４を含んで構成されている。カメラ１１、操舵角センサ１１０及びモータ駆動回路１３５（図２参照）は、入出力部（Ｉ／Ｏ）２０４に接続される。

補助記憶装置２０３は、Hard Disk Drive（ＨＤＤ）、solid state drive（ＳＳＤ）、フラッシュメモリ等の不揮発性の記憶装置によって構成されている。補助記憶装置２０３には、コンピュータ２００を、姿勢算出部２１、目標軌道算出部２２、目標操舵角算出部２３及び操舵支援トルク算出部２４としてそれぞれ機能させるための、姿勢算出プログラム２１１、目標軌道算出プログラム２１２、目標操舵角算出プログラム２１３及び操舵支援トルク算出プログラム２１４が記憶されている。

ＣＰＵ２０１は、姿勢算出プログラム２１１、目標軌道算出プログラム２１２、目標操舵角算出プログラム２１３及び操舵支援トルク算出プログラム２１４を順次補助記憶装置２０３から読み出して主記憶装置２０２に展開し、上記の各プログラムが有する各処理を実行することで、姿勢算出部２１、目標軌道算出部２２、目標操舵角算出部２３及び操舵支援トルク算出部２４として機能する。なお、上記の各プログラムにより実現される機能は、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の半導体集積回路によって実現することも可能である。

以下、操舵支援装置１０の動作について説明する。図６は、操舵支援装置１０において実施される処理の流れを示すフローチャートである。

ステップＳ１において、姿勢算出部２１は、カメラ１１から出力される前方画像の画像データを取得する。

ステップＳ２において、姿勢算出部２１は、取得した画像データによって示される画像から、路面上の白線のエッジを検出することで、自車両が走行している車線を特定すると共に、車線に対する自車両の姿勢（位置及び向き）を算出する。

ステップＳ３において、目標軌道算出部２２は、自車両が走行すべき目標軌道を算出する。目標軌道算出部２２は、例えば、姿勢算出部２１によって特定された車線の中央を走行する軌道を、自車両の目標軌道として定める。

ステップＳ４において、目標操舵角算出部２３は、姿勢算出部２１によって算出された自車両の姿勢（車線に対する自車両の位置及び向き）を加味して、目標軌道算出部２２によって算出された目標軌道を追従するための操舵角を目標操舵角θ^＊として算出する。

ステップＳ５において、操舵支援トルク算出部２４は、操舵角センサ１１０から出力される操舵角検出信号によって示される操舵角θを取得する。

ステップＳ６において、操舵支援トルク算出部２４は、取得した操舵角θと、目標操舵角算出部２３によって算出された目標操舵角θ^＊との差分Δθ（＝θ−θ^＊）の時間変化率に応じた大きさの操舵支援トルクＴを算出する。具体的には、操舵支援トルク算出部２４は、操舵角θ及び目標操舵角θ^＊を制御入力とし、（１）式に例示した演算処理を行うことで、操舵支援トルクＴを算出する。操舵支援トルク算出部２４によって算出された操舵支援トルクＴの大きさを示すトルク指令値は、モータ駆動回路１３５に供給される。

ステップＳ７において、モータ駆動回路１３５は、操舵支援トルク算出部２４によって算出された大きさの操舵支援トルクを発生させるべくモータ１３０を駆動する。これにより、ステアリングシャフト１０２及びステアリングホイール１０１を介して操舵支援トルクがドライバに伝達され、ドライバは目標軌道に導かれる。

図７は、操舵支援装置１０の動作の一例を時間領域で示したグラフである。図７には、目標操舵角θ^＊が、１秒間に０°から１．０°に立ち上がり、その後、１．０°に維持される場合（定常旋回状態）が例示されている。目標操舵角θ^＊が変化する過渡状態においては、操舵角θと目標操舵角θ^＊との差分Δθ（＝θ−θ^＊）の時間変化率が大きくなる。本実施形態に係る操舵支援装置１０によれば、Δθの時間変化率が大きくなる程（Δθの周波数が高くなる程）、大きい値の操舵支援トルクＴが発生するので、目標操舵角θ^＊が変化する過渡状態において、比較的大きい操舵支援トルクＴが発生する。ドライバは、比較的大きい操舵支援トルクＴによって誘導されるように操舵を行う。これにより、実際の操舵角θが、目標操舵角θ^＊を追従するように変化する。

図７に示す例では、目標操舵角θ^＊が１°に向けて変化しているのに対して、ドライバの操舵角θは、目標操舵角θ^＊よりも大きい１．１°に向けて変化している。本実施形態に係る操舵支援装置１０によれば、操舵角θが、目標操舵角θ^＊を上回るタイミングで、比較的大きな負方向の操舵支援トルクＴが発生する。これにより、適切なタイミングでステアリングホイールの切り戻しをドライバに促すことができる。

また、本実施形態に係る操舵支援装置１０によれば、操舵角θと目標操舵角θ^＊との差分Δθ（＝θ−θ^＊）の時間変化率が略ゼロとなる定常状態において、操舵支援トルクＴは、（１）式における定常ゲインＫに応じた一定値に維持される。この定常状態において発生する操舵支援トルクは、ドライバが違和感として感じない程度の大きさになるように定常ゲインＫの値が設定されている。

ここで、従来の操舵支援技術によれば、以下の２つの原因によって、ドライバが違和感を覚えるものとなっていた。

第１の原因は、ドライバの目標軌道とシステムが算出する目標軌道とが異なることである。例えば、システムが算出する目標軌道が車線中央であるのに対して、ドライバは車線左寄りを走行したい場合がある。このような場合、従来の操舵支援技術によれば、車両の軌道を目標軌道に誘導するべく定常的に操舵支援トルクが発生することとなり、車両が直進状態であっても、ドライバは、ステアリングホイールに左回りのトルクを加え続けなければならない。

第２の原因は、ドライバの操舵角θとシステムが算出する目標操舵角θ^＊とが異なることである。例えば、ドライバとシステムとで運転の仕方が異なると、ドライバは違和感を覚える。車両の横変位は操舵角の二階積分で発生するため、同じ軌道を走行するためのハンドル操作方法は無限に存在する。従って、システムが定めた目標操舵角θ^＊と、ドライバの操舵角θとを一致させることは困難である。特に、システムとドライバとの間で操舵角速度まで一致させることは困難である。従って、操舵角θと目標操舵角θ^＊との差分Δθ（＝θ−θ^＊）の時間変化率が大きい高周波領域において操舵支援トルクが過大となると、ドライバの違和感が顕著となる。

本発明の実施形態に係る操舵支援装置１０では、上記の第１の原因によるドライバの違和感を低減させるために、操舵角θと目標操舵角θ^＊との差分Δθ（＝θ−θ^＊）の時間変化率に応じて操舵支援トルクＴの大きさを定めている。具体的には、Δθの時間変化率が大きくなる程、大きい値の操舵支援トルクＴを発生させている。すなわち、操舵支援装置１０は、図４Ａに示すように、Δθの時間変化率が大きい高周波領域において、比較的大きい値の操舵支援トルクＴを発生させ、Δθの時間変化率が小さい低周波領域において、比較的小さい値の操舵支援トルクＴを発生させる。これにより、図７に示すように、目標操舵角θ^＊が変化する過渡状態において、比較的大きい値の操舵支援トルクＴが発生するので、効果的な操舵支援を行うことができる。一方、Δθの時間変化率が小さくなる定常状態においては、操舵支援トルクＴは小さい値に抑制されるので、ドライバの違和感を低減することができる。

本発明の実施形態に係る操舵支援装置１０によれば、例えば、システムが算出する目標軌道が車線中央であり、ドライバの目標軌道が車線左寄りである場合に、定常状態において発生する操舵支援トルクＴは、（１）式中の定常ゲインＫに応じて定まる比較的小さい値に抑制される。これにより、ドライバの目標軌道と、システムが算出する目標軌道とが一致しない場合でも、車両を直進状態に保つためにドライバがステアリングホイールに加え続けなげればならない操舵トルクを小さくすることができ、ドライバの違和感を低減することができる。なお、後述するように、定常状態において発生する操舵支援トルクＴをゼロとして、車両を直進状態に保つためにドライバがステアリングホイールに加え続けなげればならない操舵トルクをゼロとしてもよい。

このように、本発明の実施形態に係る操舵支援装置１０によれば、操舵角θと目標操舵角θ^＊との差分Δθ（＝θ−θ^＊）の時間変化率に応じて操舵支援トルクＴが定まるので、操舵支援効果を確保しつつドライバの目標軌道とシステムが算出する目標軌道とが異なることに起因するドライバの違和感を低減させることができる。

また、本発明の実施形態に係る操舵支援装置１０では、上記の第２の原因によるドライバの違和感を低減させるために、Δθ（＝θ−θ^＊）の周波数変化に対して操舵支援トルクＴの大きさを飽和させる。すなわち、操舵支援トルクＴに上限値を設け、Δθの時間変化率の増加に対して操舵支援トルクＴの大きさが上記の上限値を超えないように制御している。システムが定めた目標操舵角θ^＊と、ドライバの操舵角θとを一致させることは困難であり、Δθの高周波領域における操舵支援トルクＴが過大となると、ドライバの違和感は顕著となる。Δθの時間変化率の増加に対して操舵支援トルクＴを飽和させることで、ドライバの操舵角θとシステムが算出する目標操舵角θ^＊とが異なることに起因するドライバの違和感を低減させることができる。

また、本発明の実施形態に係る操舵支援装置１０によれば、目標操舵角θ^＊が変化する過渡状態において顕著な操舵支援トルクＴが発生する一方、定常状態において操舵支援トルクＴの大きさが抑制されるので、ドライバがシステムを過信してシステムに運転を依存してしまうリスクを低減することができる。

ここで、比較例として、操舵支援トルクＴの大きさを、単純に操舵角θと目標操舵角θ^＊との差分Δθ（＝θ−θ^＊）に比例させる場合について考える。この場合、伝達関数は、下記の（２）式で示される。

図８は、（２）式に示す伝達関数を用いた比較例に係る操舵支援トルク制御の一例を、時間領域で示したグラフである。操舵支援トルクＴをΔθ（＝θ−θ^＊）に単純に比例させた場合、Δθが１°の場合に発生する操舵支援トルクＴの大きさは、全周波数領域において、一定となる。従って、図８に示すように、操舵角θと目標操舵角θ^＊との差分Δθが存在する限り、差分Δθに比例した大きさの操舵支援トルクＴが発生する。比較例に係る制御によれば、十分な操舵支援効果を得るために（２）式におけるＫを大きくすると、定常状態における操舵支援トルクＴも大きくなり、ドライバの違和感が顕著となる。一方、ドライバの違和感を低減するために（２）式におけるＫを小さくすると、十分な操舵支援効果が得られない。比較例に係る制御によれば、操舵支援効果を確保しつつドライバの違和感を低減することが困難である。また、操舵角θが、目標操舵角θ^＊を上回るタイミングで発生する負方向の操舵支援トルクＴは、本発明の実施形態に係る操舵支援装置１０と比較して小さくなるので、ステアリングホイールの切り戻しをドライバに促す効果が低減する。

一方、本発明の実施形態に係る操舵支援装置１０によれば、操舵角θと目標操舵角θ^＊との差分Δθ（＝θ−θ^＊）の時間変化率が大きくなる高周波領域において顕著な操舵支援トルクＴが発生し、Δθの時間変化率が小さくなる低周波領域において操舵支援トルクＴの大きさが抑制されるので、操舵支援効果を確保しつつ、ドライバの違和感を低減させることができる。

［第２の実施形態］
操舵支援トルク算出部２４は、下記の（３）式によって示される伝達関数を用いた演算処理を行って操舵支援トルクＴを算出してもよい。（３）式において、Ｋは定常ゲイン、ｓはラプラス演算子、τ_０は遅れ時定数、τ_１は進み時定数であり、τ_１＞τ_０である。なお、定常ゲインＫは操舵角に対して非線形であってもよい。

図９は、（３）式に示す伝達関数を用いて操舵支援トルクを発生させる場合の操舵支援装置１０の動作の一例を時間領域で示したグラフである。図９には、目標操舵角θ^＊が、１秒間に０°から１．０°に立ち上がり、その後、１．０°に維持される場合（定常旋回状態）が例示されている。（３）式に示す伝達関数を用いた場合、操舵角θと目標操舵角θ^＊との差分Δθ（＝θ−θ^＊）の時間変化率がゼロとなる定常状態において、操舵支援トルクＴがゼロとなる。これにより、例えば、ドライバの目標軌道とシステムが算出する目標軌道とが一致しない場合に、車両を直進状態に保つためにドライバがステアリングホイールに加え続けなげればならないトルクをゼロとすることができる。これにより、ドライバの違和感を抑制する効果を促進させることができる。

［第３の実施形態］
操舵支援トルク算出部２４は、下記の（４）式によって示される伝達関数を用いた演算処理を行って操舵支援トルクＴを算出してもよい。

（４）式において、Ｋは定常ゲイン、ｓはラプラス演算子、τ_０及びτ_２は遅れ時定数、τ_１は進み時定数であり、τ_１＞τ_０＞τ_２である。なお、定常ゲインＫは操舵角に対して非線形にしてもよい。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、（４）式に示す伝達関数の周波数応答を示すグラフであり、図１０Ａは、ゲイン（Δθが１°の場合に発生する操舵支援トルク）の周波数特性、図１０Ｂは、位相の周波数特性である。図１０Ａに示すように、Δθ（＝θ−θ^＊）の周波数が、ある一定値に達するまでの周波数帯において、周波数が高くなる程ゲインが大きくなっている。すなわち、本実施形態に係る操舵支援トルク算出部２４は、ある一定値に達するまでの周波数帯において、Δθの時間変化率が大きくなる程、大きい値の操舵支援トルクＴを算出する。また、本実施形態に係る操舵支援トルク算出部２４は、Δθの周波数がある一定値を超える高周波領域において、周波数の増加に伴ってゲインを低下させる。すなわち、操舵支援トルク算出部２４は、Δθの時間変化率が所定値よりも大きい場合に、操舵支援トルクＴの大きさを、Δθの時間変化率の増加に伴って小さくする。これにより、ドライバの操舵角θとシステムが算出する目標操舵角θ^＊とが異なることに起因するドライバの違和感を低減させる効果を促進させることができる。

［第４の実施形態］
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る操舵支援装置１０Ａの構成を示すブロック図である。操舵支援装置１０Ａは、トルクセンサ１２０によって検出された操舵トルクを更に用いて操舵支援トルクＴの制御を行う。

図１２は、操舵支援装置１０Ａにおいて実施される処理の流れを示すフローチャートである。第４の実施形態に係る操舵支援装置１０Ａによれば、上記した第１の実施形態に係る操舵支援装置１０において実施されるステップＳ１〜Ｓ７までの処理（図６参照）に加え、以下に説明するステップＳ８〜Ｓ１０の処理が更に実施される。以下において、ステップＳ８〜ステップＳ１０の処理について説明し、ステップＳ１〜Ｓ７については説明を省略する。

ステップＳ８において、操舵支援トルク算出部２４は、トルクセンサ１２０から出力される操舵トルク検出信号によって示される操舵トルクｔｑを取得する。

ステップＳ９において、操舵支援トルク算出部２４は、取得した操舵トルクｔｑの大きさが、所定の上限値ｔｑ_ｍａｘよりも大であるか否かを判定する。操舵支援トルク算出部２４は、取得した操舵トルクｔｑの大きさが、上限値ｔｑ_ｍａｘよりも大であると判定した場合、処理をステップＳ１０に移行する。例えばドライバが、操舵支援トルクＴに抗って操舵を行っている場合において、この抗う操舵力が過大となった場合に、操舵トルクｔｑの大きさが上限値ｔｑ_ｍａｘよりも大となることが想定される。

ステップＳ１０において、操舵支援トルク算出部２４は、操舵支援トルクＴの大きさをゼロとする。これにより、モータ１３０は操舵支援トルクの発生を停止させる。

一方、操舵支援トルク算出部２４は、ステップＳ９の判定処理において、操舵トルクｔｑの大きさが、所定の上限値ｔｑ_ｍａｘよりも大ではないと判定した場合、処理をステップＳ７に戻す。これにより、ステップＳ６において算出された操舵支援トルクＴによるモータ駆動が継続される。

本実施形態に係る操舵支援装置１０Ａによれば、操舵支援装置１０Ａによる操舵干渉が過大となった場合に、協調運転のための操舵支援トルクＴの発生を停止させることができる。これにより、ドライバの違和感を低減させる効果を更に促進させることができる。

［第５の実施形態］
図１３は、ステアバイワイヤ技術を適用したステアリングシステム１００Ａの構成の一例を模式的に示す図である。ステアリングシステム１００Ａは、ステアリングホイール１０１と、タイヤ１４０との間に機械的な結合部分を有さない点が、電動パワーステアリング機構を備えたステアリングシステム１００（図１参照）と異なる。

ステアリングシステム１００Ａは、操舵力発生用モータ１５１及び転舵用モータ１５２を備える。ステアリングシステム１００Ａでは、通常走行において、コントローラ（図示せず）によって、ドライバの操舵角に応じて前輪舵角が発生するように転舵用モータ１５２が制御される。また、路面反力は、操舵力発生用モータ１５１で人工的に生成されて、ドライバに伝えられる。

ステアリングシステム１００Ａに、本発明の実施形態に係る操舵支援装置１０または１０Ａを適用する場合、操舵力発生用モータ１５１を操舵支援トルク発生手段として用いることが可能である。

１０、１０Ａ 操舵支援装置
１１ カメラ
２１ 姿勢算出部
２２ 目標軌道算出部
２３ 目標操舵角算出部
２４ 操舵支援トルク算出部
１００、１００Ａ ステアリングシステム
１０１ ステアリングホイール
１０２ ステアリングシャフト
１０３ ラックアンドピニオン式ステアリングギア
１０４ サイドロッド
１０５ ナックルアーム
１１０ 操舵角センサ
１２０ トルクセンサ
１３０ モータ
１３５ モータ駆動回路
１４０ タイヤ
１５１ 操舵力発生用モータ
１５２ 転舵用モータ
２００ コンピュータ
２０２ 主記憶装置
２０３ 補助記憶装置

Claims (10)

1. 自車両の目標軌道に応じた目標操舵角を算出する目標操舵角算出部と、
   前記自車両の操舵角と前記目標操舵角との差の時間変化率に応じた大きさの操舵支援トルクを算出する操舵支援トルク算出部と、
   を含む操舵支援装置。
2. 前記操舵支援トルク算出部は、前記時間変化率が大きくなる程、大きくなるように前記操舵支援トルクを算出する
   請求項１に記載の操舵支援装置。
3. 前記操舵支援トルク算出部は、前記時間変化率の増加に対して前記操舵支援トルクの大きさを飽和させる
   請求項２に記載の操舵支援装置。
4. 前記操舵支援トルク算出部は、前記時間変化率が所定値よりも大きい場合に、前記操舵支援トルクの大きさを前記時間変化率の増加に伴って小さくする
   請求項２に記載の操舵支援装置。
5. 前記操舵支援トルク算出部は、前記時間変化率がゼロの場合に、前記操舵支援トルクの大きさをゼロとする
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の操舵支援装置。
6. 前記自車両の前方を撮影し、画像データを生成するカメラと、
   前記画像データに基づいて、前記自車両の姿勢を算出する姿勢算出部と、
   前記姿勢算出部によって算出された前記自車両の姿勢に基づいて前記目標軌道を算出する目標軌道算出部と、
   前記自車両の操舵角を検出する操舵角センサと、
   前記操舵支援トルク算出部によって算出された大きさの操舵支援トルクを発生させるモータと、
   を更に含む請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の操舵支援装置。
7. 操舵トルクを検出するトルクセンサを更に含み、
   前記操舵支援トルク算出部は、前記トルクセンサによって検出された操舵トルクの大きさが所定値を超えた場合に、前記操舵支援トルクの大きさをゼロとする
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の操舵支援装置。
8. コンピュータを、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の操舵支援装置における前記操舵支援トルク算出部として機能させるためのプログラム。
9. 自車両の操舵角を検出するステップと、
   自車両の目標軌道に応じた目標操舵角を算出するステップと、
   前記操舵角と前記目標操舵角との差の時間変化率に応じた大きさの操舵支援トルクを算出するステップと、
   を含む操舵支援方法。
10. 前記時間変化率が大きくなる程、大きくなるように前記操舵支援トルクを算出する
    請求項９に記載の操舵支援方法。