JP2757435B2 - 車両用自動操縦制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は車両用自動操縦制御装置、特に予め定めら
れている誘導路を自動的に走行させるための自動操縦制
御装置の制御内容に関する。

［従来の技術］ 従来より、予め定められた走路（コース）を自動的に
走行する自動操縦車が知られており、工場内の無人搬送
車や耐久走行試験等に用いられている。この自動操縦車
は、例えば所定のコースに設置された誘導ケーブルの位
置をここに流通される電流によって発生される磁界を検
出することによって把握する。そして、この位置情報に
応じて、ハンドル、アクセル、ブレーキ等を自動的に制
御し、誘導ケーブルに沿った自動走行を実現している。

しかし、このような方法においては、その制御が誘導
ケーブルの位置検出に応じたフィードバック制御である
ため、工場内のような平坦かつ単純な形状から成るコー
スにおいては実用性があるが、走行区域内に石や木のよ
うな障害物があったり、コースが非常に複雑であったり
起伏が激しいような場合には、所定のコースが維持でき
ないという問題点があった。

そこで、特開昭63−3315号公報に示されるように、実
際のコースを有人操縦で走らせ、コース情報を予め採取
しておき、このコース情報を基に自動操縦を行うことも
提案されている。この方法によれば、比較的複雑な地形
であっても、所定のコースを外れることなく円滑に走行
することができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の車両自動操縦においては、コー
スを忠実に走行することを目的としており、比較的フィ
ードバックゲインを高くした高速の制御を用いる。この
ため、人間が操縦したものとは大きくことなり、制御の
安定性が悪く、また乗り心地が悪いという問題点があっ
た。

そこで、本出願人は先に次のような自動操縦について
提案した。すなわち、誘導路をドライバーが運転して教
示した目標コース及びその目標コースを運転するときの
操舵量を記憶しておき、この記憶内容に従って車両の自
動操縦を行う。そして、実際に走行した場合におけるコ
ースからのずれを解消するために、車両が記憶内容に従
って現在位置から所定距離先まで走行した場合における
ずれを予測し、この予測結果に基づいて操舵量を補正す
る。このような方法によれば、コースからのずれをその
場で解消しようとせず、将来を予測した制御が行えるた
め、円滑な走行制御を行うことができる。

しかし、コースに石等の障害物があったり、坂やくぼ
みがあった場合には、車両にロール（車両の前後軸周り
の回転運動）やピッチ（車両の前後方向）の振動が生じ
る。そして、このような車両の動きが生じると、車両の
向き（ヨー角）が等の検出値がふらつくことになり、こ
のヨー角を基に算出していた操舵補正量もふらつくこと
になる。

そこで、操舵制御におけるこのような操舵補正量のふ
らつきの影響を抑制するため、操舵を所定時間ホールド
する方法がある。しかし、このように操舵をホールドし
てしまうと、コース誤差の状況（誤差の大きさの増加度
合）によっては、ホールドしている間にコース誤差が増
大し、その結果として操舵補正量が大きくなり、かえっ
て操舵変動を増大させてしまい、車両が小刻みにふらつ
き、安定した走行ができないという問題点があった。

この発明は、悪路においても円滑な走行が行え、車両
のふらつきを抑制できる車両用自動操縦制御装置を提供
することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、この発明は、誘導路に対
する横変位、ヨーレート等の走行状態を計測しこの計測
値に基づいて自動的に操舵を行う車両用自動操縦制御装
置において、予め定められた誘導路を運転者が運転して
教示した目標コース及びこの目標コースを運転するとき
の操舵量を記憶する教示データ記憶手段と、この教示デ
ータ記憶手段の教示内容に従って車両が現在位置から所
定距離先まで走行した場合における目標コースとの誤差
を予測する予測誤差演算手段と、この予測誤差が所定の
値より大きいときに所定の操舵補正を行う操舵補正手段
と、予測誤差が所定の値より大きい時にそのときのヨー
レートを記憶する記憶手段と、所定のホールド時間間隔
でそのときの操舵量を記憶し、その操舵量に維持するサ
ンプル・ホールド手段と、上記ホールド時間経過時に上
記記憶手段によって記憶されている前回のヨーレートと
今回のヨーレートを比較し、ヨーレートの向きが変化し
ていた場合には、上記操舵補正手段における操舵補正量
としてそのときのヨーレートに逆比例した値を採用し、
変化していない場合にはそのときのヨーレートに比例し
た値を採用する操舵補正量選択手段と、を有することを
特徴とする。

［作用］ この発明に係る車両用自動操縦制御装置は、上述のよ
うな構成を有しており、予測誤差を利用して操舵制御を
行うとともに、予測誤差が所定値より大きい場合に操舵
補正を行う。そして、この操舵補正における補正量は、
操舵補正によってヨーレートの向きが変わっているかど
うかで変更する。

すなわち、ヨーレートの向きが変わっていないという
ことは、操舵補正の効果が現れていないということであ
り、この場合には操舵補正量をヨーレートに比例したも
のとする。このため、予測誤差εが増加傾向にありヨー
レートが大きい場合に補正量を大きくできる。従って、
予測誤差の増加傾向を効果的に抑制できる。また、ヨー
レートが小さければ操舵補正量を小さくできるので、急
激な操舵補正を抑制することができる。

一方、ヨーレートの向きが変わっているということは
操舵補正の効果が現れているということであり、この場
合には操舵補正量をヨーレートに逆比例したものとす
る。このため、過剰な操舵補正を抑制することができ
る。

このように、操舵補正を前回の操舵補正の効果が現れ
ているかどうかを判断することによって、常に最適なも
のとでき、車両のふらつきを抑制し安定した自動操縦を
得ることができる。

［実施例］ 以下、この発明に係る車両用自動操縦制御装置の実施
例について、図面に基づいて説明する。

第１図は、この発明の一実施例に係る車両用自動操縦
制御装置の概略構成図である。

車両100は４つの車輪60を有し、エンジン（図示せ
ず）等の駆動源によって、この車輪60（４輪又は２輪）
を回転駆動することによって走行する。そして、通常の
手動走行時には、車輪60の前輪60aの操舵をハンドル62
により制御することによって、所定のコースを走行す
る。一方、自動操縦を行う場合には、アクチュエータ64
によって操舵を行い、所望のコースを走行する。そし
て、このアクチュエータ64の制御は車両100に設けられ
た各種センサの出力に応じて動作する演算制御回路（EC
U）40によって行う。

車両100の走行するコース10には、その両側に誘導ケ
ーブル12が設置されている。この誘導ケーブル12には通
常1,500Hz程度の交流電流が流れされており、この電流
によって誘導ケーブルの周囲に磁界が発生されている。
また、誘導ケーブル12の外側には所定間隔をおいて地点
信号を発生する地点信号発信器14が設置されている。

一方、車両100には車両の横方向ずれを検出する横偏
位センサ20、車速を検出する対地速センサ22、地点信号
発信器14からの信号を受信する地点信号受信器24、車両
の姿勢角を検出するヨー角センサ26、操舵角を検出する
操舵角センサ28等の各種センサが搭載されている。

横偏位センサ20は、コースの両側に設けられている誘
導ケーブル12から発生する磁界を検知するもので、この
例においては、車両の前部に設けられている。そして、
通常の場合、横偏位センサ20はコイルを有しており、こ
れらコイルに誘起される電流を検出することによって一
対の誘導ケーブル12からの距離を検出する。

対地速センサ22は、例えば車輪60の回転と同様の回転
を行うマグネット回転板の回転数を磁気センサによって
検出することにより車速を検出している。そして、この
車速より走行距離を算出することができるが、地点信号
受信器24からの受信信号によって走行距離を校正する。
すなわち、地点信号発信器14から出力される位置を表す
電波信号を地点信号受信器24にて受信し、コース上の基
準位置を検出する。

ヨー角センサ26は、例えばコイルを十字型に配置し、
互いに直交する２つのコイルを自動車の中心線に対して
所定の角度で固定し、それぞれのコイルに誘起される交
流電圧の位相を検出することによってヨー角を検出す
る。なお、横偏位センサ20を車両の前部及び後部の両方
に取り付け、これらの検出信号より、車両のヨー角を検
出することもできる。操舵角センサ７はステアリングと
車輪を結ぶ機械的な操舵機構にポテンショメータを取り
付けること等によって構成される。

そして、これらのセンサからの出力は、演算制御回路
（ECU）40に入力される。このECU40は入力される各種信
号に応じて操舵を制御するものであり、センサにおける
検出信号をデジタルデータに変換するA/D変換回路42、
地点信号受信器24で受信されたデジタル化された地点信
号を受けるインターフェース（I/F）回路44,ドライバー
の運転によって得られた教示データを記憶したり、教示
されたデータを基に操舵を制御する手順が記憶されたRO
M46,ROM46に記憶された手順に従い演算を行うCPU48、演
算途中のデータを一時的に記憶するRAM50、制御結果を
出力する出力回路52からなっている。

そして、この車両100によって自動操舵を行う場合に
は、まずドライバーが実際に運転して目標となるコース
10を走行する。そして、この走行時における各種センサ
の検出値より車両の位置ヨー角操舵量等を検出し、これ
をROM46に記憶する。すなわち、ドライバーによる運転
により得られた自動操縦の際に走行に伴いどのような操
舵を行えばよいかというデータが教示データとしてROM4
6に記憶されることとなる。

自動操縦の際は、車両100はこの教示データに基づい
て、走行距離に応じてアクチュエータ64を操作して所望
のコースを走行する。

そして、この自動操縦時において、各種センサからの
信号はECU40に入力され、これに応じたフィードバック
制御を行うわけであるが、この制御について、以下に説
明する。

この発明の好適な実施例について第２図〜第６図に基
づいて説明する。

ステップ１ ECU40における最初の動作として、車両100における各
センサの検出信号をCPU48に入力する。すなわち、ヨー
角センサ26によって検出されたヨー角Θ、対地速センサ
20によって得られた対地速ｖ、横偏位センサ22によって
得られた横偏位ｙ、地点信号受信器24によって得られた
地点信号ｄ、操舵角センサ28によって得られた操舵角Φ
がA/D変換回路42、またはI/F回路44を介しデジタルデー
タとしてRAM50に記憶される。

ステップ２ 次に、ECU40はこのRAM50に記憶されたデータを物理的
な意味を持つ工学量に換算する。すなわち、対地速セン
サ22によって得られた速度信号ｖは、所定の換算係数KV
を乗算し、時速に換算する。

Ｖ＝ｖ×KV［km/h］ なお、対地速センサ22から出力される速度信号ｖは、
対地速Ｖとの間に線形関係があるようにその内部回路に
おいて特性が付与されている。このため、上述のように
対地速センサ22の出力信号ｖは、対地速Ｖ［km/h］に変
換される。

横偏位Ｙは、横偏位センサ20から出力される横偏位信
号ｙに所定の換算係数Kyを乗算することによって算出す
る。

Ｙ＝ｙ×Ky［ｍ］ 尚、横偏位センサ20の出力信号ｙも、横偏位センサ20
内の回路において横偏位Ｙとの間に線形性が付与されて
いる。そして、換算係数Kyを乗算することにより単位が
メートル［ｍ］のデータに換算される。

操舵角φは操舵角センサ28から出力される回転角信号
Φに所定の換算係数Ｋφを乗算することによって算出す
る。すなわち、換算係数Ｋφを乗算することにより単位
が［deg］のデータに換算される。

走行距離ｌは、次の式によって算出する。

ｌ＝l_(n-t)＋Ｖ×ｔ［ｍ］ ここで、l_(n-t)は１制御周期前の走行距離［ｍ］であ
り、ｔはECU50における制御周期［sec］である。

このため、対地速センサ22からの車速Ｖによって走行
距離ｌが順次加算されて行く。

ここで、走行距離ｌは、地点信号Ｄ（地点信号ｄをCP
U48によって処理し、単位［ｍ］の信号に換算したも
の）によって校正される。すなわち、地点信号Ｄが入力
された場合には、その地点信号Ｄに対応して予め記憶さ
れている距離データが走行距離ｌの初期データとしてそ
の都度入力され、走行距離ｌの校正が行われる。第３図
（Ａ）に示すように、コース10の所定の地点にイ、ロ、
ハ、…に地点信号発信器14が設けられており、これら地
点信号発信器14は第３図（Ｂ）に示すような距離につい
ての信号を発信する。そこで、地点信号受信器24からの
信号ｄによってCPU48はその地点における正確な走行距
離ｌを知ることができる。そして、CPU48はこのように
して知った走行距離ｌを走行距離の積分初期値として入
力し、走行距離ｌの校正を行う。

ヨー角θは、次式によって算出する。

θ＝θ^＊−Θ［deg］ ここで、θ^＊はドライバーによる教示時に走行距離ｌ
に対応して記憶しておいて目標ヨー角であり、第４図に
示すように走行距離ｌに対応して予めROM46に記憶され
ている。なお、このθ^＊は走行距離ｌに対応してマップ
として記憶されているため、データがない場合もある。
この場合は、前後のデータである走行距離１及びl2に
対する目標ヨー角θ1^*及びθ2^*より一次補間計算により
目標ヨー角Ｖ^＊を算出する。

θ^＊＝（θ1^*−θ2^*）×l/（l2−１） このようにして、ヨー角θが予め記憶されている目標
ヨー角θ^＊と実際に検出されたヨー角Θとの差として得
られる。

そして、このヨー角に基づいてヨーレートγを算出す
る。

γ＝（θ−θ_(n-T)）/T［deg/s］ ここで、θ_(n-T)は、Ｔ秒前のヨー角である。このよ
うにしてヨー角の時間変化、すなわちヨーレートγが算
出される。なお、ヨーレートγは以後の制御演算を考慮
して、「０」の値を取らないように制限、例えばγ0.
001,γ−0.001という制限を加える。

ここで、ヨーレートγは、例えば振動ジャイロを用い
たヨーレートセンサ等で直接検出してもよい。

ステップ３ 次に、現在の車両の走行状態から、将来どの程度コー
スずれを起こすかについてのコース誤差予測を行う。こ
の予測は、現状の横偏位Ｙとドライバーが教示した目標
横偏位Y^*との差（現状の横ずれ）と車両のヨー角θと、
現在の車速Ｖから数秒先の車両の横ずれを予測する。

すなわち、第５図に示すように、目標変位Y^*と現在の
横偏位及び現在のヨー角θから、所定の前方注視距離Ｌ
における予測誤差εを算出する。

予測誤差ε＝（Y^*−Ｙ）−θ×Ｌ ここで、車両の回転方向は、反時計方向を正としてい
る。また、Ｌは前方注視距離であり、車速Ｖと予見時間
Tpを乗算したものである。そして、この予見時間Tpを１
〜２秒程度に設定すれば、１〜２秒後の予測誤差εを算
出することができる。また、Y^*はドライバー教示時の目
標横偏位であり、走行距離ｌに対応してROM46に記載さ
れており走行距離ｌを基に索引することができる。

このように、車両100の現在位置よりそのまま走行し
た場合におけるずれの予測が上述の式によって行える。

ステップ４〜９ ステップ４においては、予測誤差εの大小比較を行
い、大きさによって操舵補正の方法を分ける。すなわ
ち、予測誤差εが0.1m以上と大きな場合には、ステップ
５に進み、ここで以前からの予測誤差εが大きかったか
どうかをフラグ（FLAG）によってチェックする。そし
て、フラグが「０」であれば、今回初めて予測誤差εが
大きくなったものと判断してこのときの車両が目標コー
スからずれていく方向をヨーレートγで代表してこれを
ステップ６でγｂとして記憶する。

γｂ＝γ そして、予測誤差が大きかったことのフラグ（FLAG）
をステップ７で「１」にセットしておく。

また、ステップ８において、速やかに操舵補正を行う
ため、サンプル・ホールド終了時間VTを現時間Timeと同
じにする。

一方、フラグが「１」であれば、以前から予測誤差ε
が大きな状態であり、操舵補正に対する効果確認のため
のサンプル・ホールドが行われているものと判断する。
そして、この場合にはヨーレートγの記憶等は行わず、
そのままステップ10に進む。

予測誤差εが小さいときは、フラグをステップ９にお
いて「０」にセットし、ステップ10へ進む。

ステップ10 ステップ10では、現在の時刻Timeがサンプル・ホール
ド終了時刻VTであるかを判断する。ここで、時刻がサン
プル・ホールド終了時刻VTに達していなければそのまま
駆動を続ければよいため、操舵の補正はせずステップ21
へ進む。一方、時刻Timeがサンプル・ホールド終了時刻
VTに達していたときは、ステップ11へ進み、操舵補正を
行う。

ステップ11〜12 ステップ11ではステップ４〜９において設定した誤差
大フラグのチェックを行う。すなわち、誤差大フラグが
「０」であれば、コース誤差が少ないものとしてステッ
プ12へ進み、誤差εを利用して操舵補正を行う。すなわ
ち、ステップ12においては操舵補正量Δｕとして、次の
値を与える。

Δｕ＝ε×Ks ここで、Ksは値を所定のものとするための係数であ
る。

一方、誤差大フラグが「１」の場合には、コース誤差
が大きくなる傾向にあるとしてステップ13に進み操舵補
正を行う。

ステップ13 ステップ13は、コース誤差が大きい場合における操舵
補正であり、操舵補正の結果車両が目標コースへ戻ろう
としているかどうかの判断を加味している。

すなわち、誤差が大きいと認識されたときのヨーレー
トγｂと操舵補正した後の（サンプル・ホールド時間の
経過後の）ヨーレートγを掛け合わせ、この乗算結果を
その絶対値で割ることにより、車両の向きがコース誤差
の少なくなっていく方向に変わっているか否かを検出す
る。

γｂ×γ/|γｂ×γ｜ この値が正の場合は、効果が完全には現れていないも
のとし、ステップ14に進む。一方、上述の検出結果が負
の場合には、車両の向きが変り効果が現れているものと
して、ステップ15へ進む。

ステップ14 ステップ14では、操舵補正の効果が現れていないもの
として、誤差εとヨーレートγとゲイン係数Kpより、操
舵補正量Δｕを求める。

Δｕ＝ε×γ×Kp ここで、ヨーレートγを係数として用いており、操舵
補正量をヨーレートγに比例したものとしている。従っ
て、予測誤差εが早い速度で増加しており（ヨーレート
がコースずれの方向に増大している）、ヨーレートが大
きい場合に操舵補正量Δｕがヨーレートに比例して大き
くなる。そこで、予測誤差εの増大傾向を速やかに抑制
することができる。一方、ヨーレートγが小さい場合に
は、予測誤差εの増加傾向が小さいため、操舵補正量Δ
ｕを必要以上に大きくせず、滑らかに車両が目標のコー
スに戻るようにできる。

このように、操舵補正の効果が現れていない時に操舵
補正量Δｕをヨーレートγに比例したものとすることに
よって、適確な操舵補正を行える。

ステップ15 ステップ15では操舵補正の効果が得られているものと
して、過剰な補正を抑えるため、ヨーレートγの逆数を
係数として用い、誤差εにゲイン係数Knを乗算して操舵
補正量Δｕを求める。

Δｕ＝ε×（1/γ）×Kn 操舵補正量Δｕをこのようにして求めれば、ヨーレー
トγが大きいときには新たな操舵補正量Δｕが小さく、
ヨーレートγが小さいときには操舵補正量Δｕが大きく
なる。

従って、以前の操舵補正で十分な効果が得られている
ときに新たな操舵補正量Δｕが小さく、操舵補正が不足
しているときに操舵補正量Δｕを大きくすることがで
き、過剰な操舵補正を効果的に抑制することができる。

ステップ16 次に、走行距離に応じてどのような操舵を行うかにつ
いてのプログラム操舵値θｐを算出する。プログラム操
舵値θｐは、ドライバー教示により与えられた操舵量を
第６図に示すように走行距離ｌに応じて記憶したもので
あり、走行距離ｌを与えてプログラム操舵値マップから
θｐを索引する。

ステップ17〜19 ステップ17では、現状の操舵量ｕ、すなわち今回の補
正を行わない値を以前の操舵量ubとして記憶する。な
お、これはステップ19においてサンプル・ホールド時間
Tsを求めるためである。ステップ18では今回の制御にお
ける最終的な操舵量ｕを次式によって求める。

操舵量ｕ＝プログラム操舵値θｐ＋操舵補正量Δｕ ステップ19 ステップ19ではサンプル・ホールド時間Tsを求める。
サンプル・ホールド時間Tsは、最終操舵量ｕの変化の逆
数によって決定する。

これは、操舵量ｕの変化が大きければ、車両の向きの
変化が早いため、必要以上に操舵をホールドした場合、
反対方向にずれてしまう危険があり、これを防止するた
めである。また、KTはサンプル・ホールド時間を適当な
量に設定するためのゲイン（定数）である。

Ts＝KT/|u−ub| ［sec］ ステップ20 ステップ20では、次のサンプル・ホールドの終了時刻
VTを求めるため、今までの終了時刻VTにサンプル・ホー
ルド時間Tsを加算し、これを新たなサンプル・ホールド
終了時刻VTとして記憶する。

ステップ21〜22 ステップ21では制御の経過時間Δｔをカウントし、現
時刻を計数する。

そして、ステップ22において、前記演算で得られた操
舵量ｕを操舵アクチュエータに出力し、操舵の制御を行
う。

このように、上述の実施例によれば、このように、操
舵補正を前回の操舵補正の効果が現れているかどうかを
判断することによって、常に最適なものとでき、車両の
ふらつきを抑制し安定した自動操縦を得ることができ
る。

また、サンプル・ホールド時間を操舵の変化量に応じ
て変更できるため、操舵必要以上の操舵ホールドによる
操舵遅れを防止することができ、操舵遅れによるコース
ずれの増大を防止することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明に係る自動操縦制御装
置によれば、ヨーレートの変化によって操舵補正の効果
が現われているか否かを判断し、これに応じて操舵補正
を適当なものとするため、車両のふらつきを低減し、安
定した自動操縦を得ることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の一実施例に係る車両用自動操縦制御
装置の全体構成を示すブロック図、 第２図はこの発明の実施例の動作を説明するためのフロ
ーチャート図、 第３図は地点信号Ｄによる走行距離Ｌの校正を説明する
ための説明図、 第４図は目標ヨー角θ^＊の算出を説明するための特性
図、 第５図は予測誤差εの算出方法を示す説明図、 第６図はプログラム操舵値θｐの特性を示す特性図であ
る。 10……コース 12……誘導ケーブル 20……横偏位センサ 26……ヨー角センサ 40……演算制御回路（ECU） 100……車両

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】誘導路に対する横変位、ヨーレート等の走
   行状態を計測しこの計測値に基づいて自動的に操舵を行
   う車両用自動操縦制御装置において、 予め定められた誘導路を運転者が運転して教示した目標
   コース及びこの目標コースを運転するときの操舵量を記
   憶する教示データ記憶手段と、 この教示データ記憶手段の教示内容に従って車両が現在
   位置から所定距離先まで走行した場合における目標コー
   スとの誤差を予測する予測誤差演算手段と、 この予測誤差が所定の値より大きいときに所定の操舵補
   正を行う操舵補正手段と、 予測誤差が所定の値より大きい時にそのときのヨーレー
   トを記憶する記憶手段と、 所定のホールド時間間隔でそのときの操舵量を記憶し、
   その操舵量に維持するサンプル・ホールド手段と、 上記ホールド時間経過時に上記記憶手段によって記憶さ
   れている前回のヨーレートと今回のヨーレートを比較
   し、ヨーレートの向きが変化していた場合には、上記操
   舵補正手段における操舵補正量としてそのときのヨーレ
   ートに逆比例した値を採用し、変化していない場合には
   そのときのヨーレートに比例した値を採用する操舵補正
   量選択手段と、 を有することを特徴とする車両用自動操縦制御装置。