JP3547969B2 - 車両の自動操舵装置 - Google Patents
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- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
- Steering Control In Accordance With Driving Conditions (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車に利用する。本発明は、自動車の自動操舵制御を行うための論理演算の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両の自動操舵は、操舵目標として、道路に描かれた走行レーンに沿って走行するもの、道路に沿って送信される無線信号あるいは光信号に追従するもの、先行車両に追尾するもの、その他が知られている。この制御のための演算論理を図を用いて説明する。
【０００３】
図６は従来例制御装置の演算論理を説明するフローチャートである。自動操舵が開始され装置がリセットされると、操舵目標値（Ｓ）を取込み（ステップ１）、この目標値（Ｓ）と自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ）を演算し（ステップ２）、この差分（Δ）に対してＰＩＤ演算処理を行い制御出力（δ）を送出し（ステップ３）、この制御出力（δ）をアクチュエータに出力する（ステップ４）ように構成されている。操舵目標値（Ｓ）はたとえば路面に描かれた走行レーンを基準とする目標である。
【０００４】
そしてこの従来例装置では、車両に設けられた各種センサ出力（７）から走行条件データの取込み演算が実行され（ステップ８）、そのデータの正常または異常が判定される（ステップ９）。そのデータが異常であるときには、自動的にかつ強制的にこの自動制御を解除して（ステップ１０）手動操舵に戻す。そのデータが正常であるときにはこの制御を継続する。
【０００５】
また、上記ＰＩＤ演算処理を行う演算回路には、比例利得（Ｐ）、積分利得（Ｉ）、および微分利得（Ｄ）についてそれぞれ最適値を演算するためのマップを用意しておき、走行条件のデータにしたがってそのＰＩＤ値を自動設定する（ステップ１１）ように構成されている。これはたとえば、車両速度（Ｖ）が大きくなるにしたがい、ロバスト性が高い制御感度になるように設定されている。
【０００６】
なお、公知の従来例技術として、自動操舵制御が自動的に解除されて手動操舵に戻るときに、操舵輪の拘束トルクを徐々に緩やかに制御する技術（特開平５−１７０１１８号公報）、あるいは手動操舵から自動操舵への切り換えを行うときに、自動制御装置の診断を実行して異常があるときには自動操舵への切り換えを禁止する技術（特開平６−１９８１０８号公報）などが知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図６で説明した従来例技術では、ＰＩＤ制御回路の最適利得がマップを参照することにより演算されるので、車種毎に異なるマップを用意することが必要である。さらに厳密には、車種毎に車両を走行させて得られるデータからマップを作成することが必要である。したがって、装置に記憶しなければならないデータ量が大きくなるとともに、複数の車種についてそれぞれ最適のマップを設定するために大きい工数を要する欠点がある。この装置を市販車両に実施する場合には、取付けられるタイヤ、ボディー形状、最大積載量、その他パラメタがわずかづつ変更された車両について、その特性を試験してマップを作成することになる。
【０００８】
また、この従来例装置では、走行データに異常が検出されたときには、直ちに自動操舵が解除されるようになっているから、走行データの過渡的な変動などでひんぱんに自動操舵の解除が行われることになる。自動制御の解除が行われるとあらためて操作により自動制御の設定を行うことが必要であり、このような操作がひんぱんに行われ運転操作がわずらわしくなる。また、速度零の発進時から自動操舵の条件を選ぶことができない不都合がある。
【０００９】
本発明はこのような背景に行われたものであって、実際に車両を走行させてデータを採取しなくとも、適応的にＰＩＤ制御を行うことができる装置を提供することを目的とする。実用車両で積載量が変化したとき、運転車速が変化したときにも、マップを用いることなく有効な追従制御を行うことができる自動操舵装置を提供することを目的とする。本発明は、走行データに異常が検出されたとき、あるいは車速が零にあるときにも、自動制御を解除するのではなく、制御感度を低くして（ロバスト性の高い感度に設定して）自動制御を継続し、走行データの過渡的な変動などによりひんぱんに自動操舵の解除および設定を繰り返す必要のない装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、実際に車両を走行させデータを採取することなく、車両条件および走行条件の変化に対応して自動操舵制御を行うことを特徴とする。
【００１１】
すなわち、本発明の第一の観点は、操舵目標値（Ｓ）を取込む手段（１）と、この目標値（Ｓ）と自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ）を演算する手段（２）と、この差分（Δ）に対してＰＩＤ演算処理を行い制御出力（δ）を送出する制御回路（３）とを備えた車両の自動操舵装置において、伝達関数として自車の車両モデル（５）を備え、前記制御出力（δ）がこの車両モデルを介して前記制御回路（３）の入力に負帰還接続されたことを特徴とする（図１参照）。
【００１２】
前記車両モデルは、車速（Ｖ）、積荷を含む車体質量（ｍ）および走行中の路面の摩擦係数（μ）をパラメタに含む演算関数として与えられ、かつ、車両に設けられたセンサ出力にしたがってリアルタイムに与えられる演算関数であることが望ましい。
【００１３】
自動操舵が開始され装置がリセットされると、操舵目標値（Ｓ）を取込み、自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ）を演算し、この差分（Δ）に対してＰＩＤ演算処理を行い、この処理によって得られた制御出力（δ）を車両モデルを介して負帰還させる。車両モデル（５）には、車両に設けられた各種センサ（７）の出力データを演算することにより得られた走行条件が出力されるので、この負帰還処理で得られた制御出力（δ）により車両条件および走行条件の変化に対応した制御信号をアクチュエータに出力する。
【００１４】
車両のモデルのパラメタはその車両について関数により設定される。すなわち、ＰＩＤ演算の入力Δｉｎは
Δｉｎ＝Δ−ｆ（δ），ｆは車両モデルを表す関数
となる。これは走行にしたがい適応的に変化するので、関数ｆとして複数の車種に共通の演算関数を与えておくことにより車種により、あるいはタイヤ特性（荷重−コーナリング特性）などのこまかい仕様により、制御マップを変更するなどの設定操作は必要がなくなる。
【００１５】
これを概念的に説明すると次のとおりである。図７を参照して、従来から制御パラメタを変更するには図７（ｃ）のようにＰＩＤ制御のパラメタそれ自体を変更することが必要であったところ、本発明では、図７（ａ）のようにＰＩＤ出力からモデルを介して負帰還接続することにより、モデルのパラメタを変更することにより、実質的にＰＩＤ制御のパラメタを変更することになる。すなわち、図７（ａ）は図７（ｂ）と等価であり、モデルのパラメタを変更することにより実質的にＰＩＤの制御のパラメタが変更される。そして、モデルのパラメタは車両特性の模擬特性であり、車速（Ｖ）、走行中の路面摩擦係数（μ）、積荷を含む車体の質量（ｍ）、その他車両特性はそのままモデル化することができる。したがって、ＰＩＤ制御のパラメタを変更するために、複雑な変換関数を用いたり、あるいはあらかじめ用意された変換マップを利用して変換を行うなどの必要がなく、そのままモデルのパラメタを車両の各時点の特性変化にしたがって単純に変更すればよいことになる。変換関数や変換マップは車両の種別により異なるが、モデルとなる関数は基本的に車種や積荷の変化によって変更されることはなく、多数の車種に共通に設定して利用することができる。したがって、ＰＩＤ制御のパラメタを変更することが複雑であったところが、本発明では、実質的に制御のパラメタを変更することがきわめて単純であり分かりやすくなる。
【００１６】
自動操舵における車両条件として積荷を含む車体質量（ｍ）の変化があり、また走行条件として車速（Ｖ）および走行中の路面摩擦係数（μ）の変化があるので、車両モデルは、積荷を含む車体の質量（ｍ）、車速（Ｖ）および路面摩擦係数（μ）をパラメタとする演算関数として与え、これらのパラメタについて、車両に設けられたセンサ出力にしたがってリアルタイムに設定される。
【００１７】
本発明の第二の観点は、走行データに異常が検出されたとき、あるいは車速が零にあるときには、制御感度を低くして（ロバスト性の高い感度に設定して）自動制御を継続する構成についてであって、操舵目標値（Ｓ）を取込む手段（１）と、この目標値（Ｓ）と自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ）を演算する手段（２）と、この差分（Δ）に対してＰＩＤ演算処理を行い制御出力（δ）を送出する制御回路（３）とを備えた車両の自動操舵装置において、
前記制御回路（３）の制御利得（Ｇ）を
Ｇ＝Ｐ＋（Ｉ／ｓ）＋Ｄｓ
ただし、Ｐは比例利得、Ｉは積分利得、Ｄは微分利得、
ｓはラプラス演算子
とするとき、車両に設けられたセンサ出力に異常が検出されるときに、前記制御回路（３）にＰ＝ｐ０ 、Ｉ≒０、Ｄ≒０（ただし、ｐ０ ＜１）を設定する手段（６）を備えたことを特徴とする（図１参照）。
【００１８】
車両に設けられたセンサ出力に異常が検出されるときには、車速が零であるとき（Ｖ＝０）を含み、前記ｐ０ は０．１ ≦ｐ０ ≦０．２ であることが望ましい。
【００１９】
自動操舵が開始され装置がリセットされると、各種センサ（７）の出力を取込み、車速（Ｖ）、積荷を含む車体質量（ｍ）および走行中の路面摩擦係数（μ）により示される車両条件を含む走行条件を車両モデル（５）に出力するとともに、そのデータが正常であるか否かを判定する。その値が正常であればＰＩＤ制御をそのまま継続し同様の処理を繰り返す。異常であれば、
比例利得 Ｐ＝ｐ０ （０．１≦ｐ０ ≦０．２）
積分利得 Ｉ≒０
微分利得 Ｄ≒０
を設定し制御回路（３）に出力する。
【００２０】
制御回路（３）は、この値を用いて、制御利得（Ｇ）を
Ｇ＝Ｐ＋（Ｉ／ｓ）＋Ｄｓ
により演算し、この小さい値に設定された制御利得（Ｇ）による制御出力（δ）を車両モデル（５）を介して負帰還させ、この負帰還処理により補正された制御出力（δ）をアクチュエータに出力し自動操舵制御を継続する。
【００２１】
これにより、走行データに異常が表れても直ちに自動制御が解除されるのではなく、比例制御のみが継続され、しかもその比例利得がきわめて小さい値（ロバスト性の高い感度）で継続されるので、感度が鈍く制御が乱れる可能性は小さい。走行データが正常に戻るとただちに前の制御をつづけて実行することができる。したがって運転者は自動制御の解除に伴う再設定の操作を繰り返し行う必要はない。
【００２２】
本発明の第三の観点は、車両モデルにより自車の走行状態を推測しフィードバックするとともに、走行データに異常が検出されたとき、あるいは車速が零にあるときには、制御感度を低くして自動制御を継続する構成についてであって、上述の二つの制御をともに備えた構成を特徴とする。
【００２３】
すなわち、操舵目標値（Ｓ）を取込む手段（１）と、この目標値（Ｓ）と自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ）を演算する手段（２）と、この差分（Δ）に対してＰＩＤ演算処理を行い制御出力（δ）を送出する制御回路（３）とを備えた車両の自動操舵装置において、伝達関数として自車の車両モデル（５）を備え、前記制御出力（δ）がこの車両モデルを介して前記制御回路（３）の入力に負帰還接続され、
前記制御回路（３）の制御利得（Ｇ）を
Ｇ＝Ｐ＋（Ｉ／ｓ）＋Ｄｓ
ただし、Ｐは比例利得、Ｉは積分利得、Ｄは微分利得、
ｓはラプラス演算子
とするとき、車両に設けられたセンサ出力に異常が検出されるときに、前記制御回路（３）にＰ＝ｐ０ 、Ｉ≒０、Ｄ≒０（ただしｐ０ ＜１）を設定する手段（６）を備えたことを特徴とする（図１参照）。
【００２４】
このような制御を行うことにより、自動操舵走行を行う場合に、実際に車両を走行させてデータを採取しなくても、積載量および運転車速の変化に対応して、制御マップを用いることなく有効な追従制御を行うことができる。また、走行データに異常が検出されたとき、あるいは車速が零を示しているときであっても、制御感度を低くして自動制御を継続することができるので、走行データの過渡的な変動などによるひんぱんな自動操舵の解除および設定の繰り返し操作を少なくすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による自動操舵装置の演算論理について説明する。図１は本発明による自動操舵装置の演算論理を説明するフローチャートである。
【００２６】
自動操舵が開始され装置がリセットされると、道路に描かれた走行レーン、道路に沿って送信される無線信号あるいは光信号、先行車両などの操舵目標値（Ｓ）を取込み（ステップ１）、自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ＝Ｓ−Ｍ）、すなわち自車の位置と目標コースとのずれを演算し（ステップ２）、この差分（Δ）に対して制御回路がＰＩＤ演算処理を行い（ステップ３）、この演算処理によって得られた制御出力（δ）を車両モデルを介して（ステップ５）制御回路の入力に負帰還させる（ステップ４）。この負帰還により車両条件および走行条件が変化した場合には、操舵目標値（Ｓ）に対する補正が行われ、補正された操舵角を設定するために必要な電圧が制御出力（δ）としてアクチュエータに付与される（ステップ４）。
【００２７】
一方、自動操舵開始のための装置のリセットにともなって、制御回路は各種センサからの出力を取込み（ステップ７）、車速（Ｖ）、積荷を含む車体質量（ｍ）および走行中の路面摩擦係数（μ）により示される車両条件を含む現在の走行条件を車両モデルに出力するとともに（ステップ８）、そのデータが正常であるか否かを判定する（ステップ９）。
【００２８】
そのデータが正常であれば制御回路によるＰＩＤ制御を継続して同様の処理を繰り返す。データに異常がある場合には、例えば走行路のカーブなどによって操舵目標値（Ｓ）が一時的に取込まれなかったことによりデータ異常が示されるようなことがあるので、走行状態の変化をリアルタイムに表わす比例利得Ｐの値を車速（Ｖ）が変化しても制御成績が最も安定する値ｐ０ に設定するとともに、走行状態の変化が表われにくい積分利得（Ｉ）および微分利得（Ｄ）をほぼ零に設定して制御回路に出力する。制御回路はこの出力により制御利得（Ｇ）を
Ｇ＝Ｐ＋（Ｉ／ｓ）＋Ｄｓ
ｓはラプラス演算子
により演算し、現状に適応した制御出力（δ）をアクチュエータに出力する。
【００２９】
比例利得Ｐに設定する値は、０．１≦ｐ０ ≦０．２の範囲で設定される。図２は本発明装置にかかわるＰ値と制御成績との関係を車速毎に示したものである。縦軸の制御成績は、図３に示す操舵角の実測値と演算された操舵角の値とのずれ量を面積（斜線の部分）で表わした値である。Ｐ値を変化させると、車速が４０ｋｍ／ｈ、６０ｋｍ／ｈ、８０ｋｍ／ｈのときのいずれも制御成績は変化するが、車速が変化しても制御成績が安定するＰ値が存在する。この例ではその安定する範囲は０．１〜０．２であり、したがってその中心値０．１５を設定すれば有効な制御を行うことができる。
【００３０】
なお、車両条件がない状態、例えば、発車前あるいはセンサ故障時には、車両モデルおよび制御回路は動作できない状態にあるので仮の初期値を設定する。この初期値には、実車の挙動と車両モデルで計算した挙動に大きな違いが発生しない安定した制御ができる値を設定する。
【００３１】
【実施例】
ここで、本発明による演算論理を用いた自動操舵装置の実施例について説明する。図４は本発明実施例自動操舵装置による自動操舵状態を説明する図、図５は本発明実施例自動操舵装置の要部の構成を示すブロック図である。操舵目標としては、道路に描かれた走行レーンに沿って走行するもの、道路に沿って送信される無線信号あるいは光信号に追従するもの、先行車両に追尾するものなどがあるが、図２には先行車両に追尾する形態の実施例が示されている。
【００３２】
本発明実施例は、先行車両を操舵目標としてレーダ装置２１からその操舵目標値（Ｓ）を取込む操舵目標値取込手段１１と、この目標値（Ｓ）と操舵角センサ２０より検出された自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ）を演算する操舵値差分演算手段１２と、この差分（Δ）に対してＰＩＤ演算処理を行うＰＩＤ演算処理手段１０を含み制御出力（δ）を操舵アクチュエータ２２に送出する制御回路１３とが備えられ、本発明の特徴として、車両モデル１５が備えられ、制御出力（δ）がこの車両モデル１５を介して制御回路１３の入力に負帰還接続される。
【００３３】
車両モデル１５は、車速センサ２３により検出された車速（Ｖ）、荷重センサ２４により検出された積荷を含む車体質量（ｍ）、および路面摩擦係数推定装置２５により推定演算された走行中の路面の摩擦係数（μ）その他をパラメタに含む演算関数として、例えば、
【００３４】
【数１】
として与えられる。
【００３５】
ただし、β：横すべり角、γ：ヨーレイト、ｋｆ ：フロント・コーナリング・フォース、ｋｒ ：リヤ・コーナリング・フォース、ｌｆ ：フロント車軸の中心から重心までの距離、ｌｒ ：リヤ車軸の中心から重心までの距離、Ｉｍ ：ヨー慣性モーメント
車両モデル１５には、その他の制御情報として、ヨーレイト・センサ２６、ブレーキ・センサ２７および加速度センサ２８の出力が接続される。
【００３６】
さらに、制御回路１３の制御利得（Ｇ）を
Ｇ＝Ｐ＋（Ｉ／ｓ）＋Ｄｓ
ただし、Ｐは比例利得、Ｉは積分利得、Ｄは微分利得、ｓはラプラス演算子とするとき、車両に設けられたセンサ出力に異常が検出されたときに、制御回路１３にＰ＝ｐ０ 、Ｉ≒０、Ｄ≒０（ただし、ｐ０ ＜１）を設定するＰＩＤ値設定手段１６が備えられる。
【００３７】
車両に設けられたセンサ出力に異常が検出されたときには、車速が零であるとき（Ｖ＝０）が含まれ、比例利得Ｐに設定されるｐ０ は、
０．１≦ｐ０ ≦０．２
の範囲で設定される。
【００３８】
次に、このように構成された本発明実施例自動操舵装置による動作について説明する。本実施例装置の動作は図１に示すフローチャートの流れにしたがって行われる。
【００３９】
すなわち、自動操舵が開始され装置がリセットされると、操舵目標値取込手段１１がレーダ装置２１が検知した先行車両を操舵目標値（Ｓ）として取込み、操舵値差分演算手段１２が操舵角センサからの出力に示されている現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ＝Ｓ−Ｍ）を演算する。この差分（Δ）が自車の位置と目標コースとのずれとなる。演算された差分（Δ）は制御回路１３に出力され、制御回路１３のＰＩＤ演算処理手段１０がその差分に対してＰＩＤ演算処理を行い制御出力（δ）を算出し、車両モデル１５を介して制御回路１３に負帰還する。
【００４０】
この負帰還により車両条件および走行条件に変化があれば、操舵目標値（Ｓ）に対する補正が行われ、補正された操舵角を設定するために必要とされる電圧が制御出力（δ）として操舵アクチュエータ２２に付与される。
【００４１】
一方、自動操舵開始のリセットにともなって、車速センサ２３、荷重センサ２４および路面摩擦係数推定装置２５から車速（Ｖ）、積荷を含む車体質量（ｍ）および走行中の路面摩擦係数（μ）を取込み、現在の車両条件を含む走行条件を示す制御情報として車両モデル１５に出力するとともに、そのデータが正常であるか否かを判定する。
【００４２】
正常であれば制御回路１３によるＰＩＤ制御を継続して同様の処理を繰り返す。そのデータが異常であれば走行状態の変化をリアルタイムに表わす比例利得Ｐの値を車速（Ｖ）が変化しても制御成績が最も安定する値ｐ０ （例えば０．１５）に選定するとともに、走行状態の変化が表われにくい積分利得（Ｉ）および微分利得（Ｄ）をほぼ零に設定して制御回路１３に出力する。
【００４３】
制御回路１３はこの出力により制御利得（Ｇ）を
Ｇ＝Ｐ＋（Ｉ／ｓ）＋Ｄｓ
ｓはラプラス演算子
により演算し、現状に適応した制御出力（δ）を操舵アクチュエータ２２に出力する。操舵アクチュエータ２２はこの制御出力にしたがって操舵を行い操舵目標に車両を追従させる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、自動操舵走行を行う自動車において、実際に車両を走行させてデータを採取しなくても、積載量および運転車速の変化に対応して、制御マップを用いることなく有効な追従制御を行うことができる。また、走行データに異常が検出されたとき、あるいは車速が零にあるときであっても、制御感度を低くして（ロバスト性の高い感度に設定して）自動制御を継続し、走行データの過渡的な変動などによるひんぱんな自動操舵の解除および設定の繰り返し操作をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による自動操舵装置の演算論理を説明するフローチャート。
【図２】本発明による自動操舵装置にかかわるＰ値と制御成績との関係を示す図。
【図３】本発明による自動操舵装置にかかわる操舵角の実測値と演算値とのずれを説明する図。
【図４】本発明実施例自動操舵装置による自動操舵状態を説明する図。
【図５】本発明実施例自動操舵装置の要部の構成を示すブロック図。
【図６】従来例自動操舵装置の演算論理を説明するフローチャート。
【図７】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はＰＩＤ制御のパラメタ変更を説明する図。
【符号の説明】
１０ ＰＩＤ演算処理手段
１１ 操舵目標値取込手段
１２ 操舵値差分演算手段
１３ 制御回路
１５ 車両モデル
１６ ＰＩＤ値設定手段
２０ 操舵角センサ
２１ レーダ装置
２２ 操舵アクチュエータ
２３ 車速センサ
２４ 荷重センサ
２５ 路面摩擦係数推定装置
２６ ヨーレイト・センサ
２７ ブレーキ・センサ
２８ 加速度センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車に利用する。本発明は、自動車の自動操舵制御を行うための論理演算の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両の自動操舵は、操舵目標として、道路に描かれた走行レーンに沿って走行するもの、道路に沿って送信される無線信号あるいは光信号に追従するもの、先行車両に追尾するもの、その他が知られている。この制御のための演算論理を図を用いて説明する。
【０００３】
図６は従来例制御装置の演算論理を説明するフローチャートである。自動操舵が開始され装置がリセットされると、操舵目標値（Ｓ）を取込み（ステップ１）、この目標値（Ｓ）と自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ）を演算し（ステップ２）、この差分（Δ）に対してＰＩＤ演算処理を行い制御出力（δ）を送出し（ステップ３）、この制御出力（δ）をアクチュエータに出力する（ステップ４）ように構成されている。操舵目標値（Ｓ）はたとえば路面に描かれた走行レーンを基準とする目標である。
【０００４】
そしてこの従来例装置では、車両に設けられた各種センサ出力（７）から走行条件データの取込み演算が実行され（ステップ８）、そのデータの正常または異常が判定される（ステップ９）。そのデータが異常であるときには、自動的にかつ強制的にこの自動制御を解除して（ステップ１０）手動操舵に戻す。そのデータが正常であるときにはこの制御を継続する。
【０００５】
また、上記ＰＩＤ演算処理を行う演算回路には、比例利得（Ｐ）、積分利得（Ｉ）、および微分利得（Ｄ）についてそれぞれ最適値を演算するためのマップを用意しておき、走行条件のデータにしたがってそのＰＩＤ値を自動設定する（ステップ１１）ように構成されている。これはたとえば、車両速度（Ｖ）が大きくなるにしたがい、ロバスト性が高い制御感度になるように設定されている。
【０００６】
なお、公知の従来例技術として、自動操舵制御が自動的に解除されて手動操舵に戻るときに、操舵輪の拘束トルクを徐々に緩やかに制御する技術（特開平５−１７０１１８号公報）、あるいは手動操舵から自動操舵への切り換えを行うときに、自動制御装置の診断を実行して異常があるときには自動操舵への切り換えを禁止する技術（特開平６−１９８１０８号公報）などが知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図６で説明した従来例技術では、ＰＩＤ制御回路の最適利得がマップを参照することにより演算されるので、車種毎に異なるマップを用意することが必要である。さらに厳密には、車種毎に車両を走行させて得られるデータからマップを作成することが必要である。したがって、装置に記憶しなければならないデータ量が大きくなるとともに、複数の車種についてそれぞれ最適のマップを設定するために大きい工数を要する欠点がある。この装置を市販車両に実施する場合には、取付けられるタイヤ、ボディー形状、最大積載量、その他パラメタがわずかづつ変更された車両について、その特性を試験してマップを作成することになる。
【０００８】
また、この従来例装置では、走行データに異常が検出されたときには、直ちに自動操舵が解除されるようになっているから、走行データの過渡的な変動などでひんぱんに自動操舵の解除が行われることになる。自動制御の解除が行われるとあらためて操作により自動制御の設定を行うことが必要であり、このような操作がひんぱんに行われ運転操作がわずらわしくなる。また、速度零の発進時から自動操舵の条件を選ぶことができない不都合がある。
【０００９】
本発明はこのような背景に行われたものであって、実際に車両を走行させてデータを採取しなくとも、適応的にＰＩＤ制御を行うことができる装置を提供することを目的とする。実用車両で積載量が変化したとき、運転車速が変化したときにも、マップを用いることなく有効な追従制御を行うことができる自動操舵装置を提供することを目的とする。本発明は、走行データに異常が検出されたとき、あるいは車速が零にあるときにも、自動制御を解除するのではなく、制御感度を低くして（ロバスト性の高い感度に設定して）自動制御を継続し、走行データの過渡的な変動などによりひんぱんに自動操舵の解除および設定を繰り返す必要のない装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、実際に車両を走行させデータを採取することなく、車両条件および走行条件の変化に対応して自動操舵制御を行うことを特徴とする。
【００１１】
すなわち、本発明の第一の観点は、操舵目標値（Ｓ）を取込む手段（１）と、この目標値（Ｓ）と自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ）を演算する手段（２）と、この差分（Δ）に対してＰＩＤ演算処理を行い制御出力（δ）を送出する制御回路（３）とを備えた車両の自動操舵装置において、伝達関数として自車の車両モデル（５）を備え、前記制御出力（δ）がこの車両モデルを介して前記制御回路（３）の入力に負帰還接続されたことを特徴とする（図１参照）。
【００１２】
前記車両モデルは、車速（Ｖ）、積荷を含む車体質量（ｍ）および走行中の路面の摩擦係数（μ）をパラメタに含む演算関数として与えられ、かつ、車両に設けられたセンサ出力にしたがってリアルタイムに与えられる演算関数であることが望ましい。
【００１３】
自動操舵が開始され装置がリセットされると、操舵目標値（Ｓ）を取込み、自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ）を演算し、この差分（Δ）に対してＰＩＤ演算処理を行い、この処理によって得られた制御出力（δ）を車両モデルを介して負帰還させる。車両モデル（５）には、車両に設けられた各種センサ（７）の出力データを演算することにより得られた走行条件が出力されるので、この負帰還処理で得られた制御出力（δ）により車両条件および走行条件の変化に対応した制御信号をアクチュエータに出力する。
【００１４】
車両のモデルのパラメタはその車両について関数により設定される。すなわち、ＰＩＤ演算の入力Δｉｎは
Δｉｎ＝Δ−ｆ（δ），ｆは車両モデルを表す関数
となる。これは走行にしたがい適応的に変化するので、関数ｆとして複数の車種に共通の演算関数を与えておくことにより車種により、あるいはタイヤ特性（荷重−コーナリング特性）などのこまかい仕様により、制御マップを変更するなどの設定操作は必要がなくなる。
【００１５】
これを概念的に説明すると次のとおりである。図７を参照して、従来から制御パラメタを変更するには図７（ｃ）のようにＰＩＤ制御のパラメタそれ自体を変更することが必要であったところ、本発明では、図７（ａ）のようにＰＩＤ出力からモデルを介して負帰還接続することにより、モデルのパラメタを変更することにより、実質的にＰＩＤ制御のパラメタを変更することになる。すなわち、図７（ａ）は図７（ｂ）と等価であり、モデルのパラメタを変更することにより実質的にＰＩＤの制御のパラメタが変更される。そして、モデルのパラメタは車両特性の模擬特性であり、車速（Ｖ）、走行中の路面摩擦係数（μ）、積荷を含む車体の質量（ｍ）、その他車両特性はそのままモデル化することができる。したがって、ＰＩＤ制御のパラメタを変更するために、複雑な変換関数を用いたり、あるいはあらかじめ用意された変換マップを利用して変換を行うなどの必要がなく、そのままモデルのパラメタを車両の各時点の特性変化にしたがって単純に変更すればよいことになる。変換関数や変換マップは車両の種別により異なるが、モデルとなる関数は基本的に車種や積荷の変化によって変更されることはなく、多数の車種に共通に設定して利用することができる。したがって、ＰＩＤ制御のパラメタを変更することが複雑であったところが、本発明では、実質的に制御のパラメタを変更することがきわめて単純であり分かりやすくなる。
【００１６】
自動操舵における車両条件として積荷を含む車体質量（ｍ）の変化があり、また走行条件として車速（Ｖ）および走行中の路面摩擦係数（μ）の変化があるので、車両モデルは、積荷を含む車体の質量（ｍ）、車速（Ｖ）および路面摩擦係数（μ）をパラメタとする演算関数として与え、これらのパラメタについて、車両に設けられたセンサ出力にしたがってリアルタイムに設定される。
【００１７】
本発明の第二の観点は、走行データに異常が検出されたとき、あるいは車速が零にあるときには、制御感度を低くして（ロバスト性の高い感度に設定して）自動制御を継続する構成についてであって、操舵目標値（Ｓ）を取込む手段（１）と、この目標値（Ｓ）と自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ）を演算する手段（２）と、この差分（Δ）に対してＰＩＤ演算処理を行い制御出力（δ）を送出する制御回路（３）とを備えた車両の自動操舵装置において、
前記制御回路（３）の制御利得（Ｇ）を
Ｇ＝Ｐ＋（Ｉ／ｓ）＋Ｄｓ
ただし、Ｐは比例利得、Ｉは積分利得、Ｄは微分利得、
ｓはラプラス演算子
とするとき、車両に設けられたセンサ出力に異常が検出されるときに、前記制御回路（３）にＰ＝ｐ０ 、Ｉ≒０、Ｄ≒０（ただし、ｐ０ ＜１）を設定する手段（６）を備えたことを特徴とする（図１参照）。
【００１８】
車両に設けられたセンサ出力に異常が検出されるときには、車速が零であるとき（Ｖ＝０）を含み、前記ｐ０ は０．１ ≦ｐ０ ≦０．２ であることが望ましい。
【００１９】
自動操舵が開始され装置がリセットされると、各種センサ（７）の出力を取込み、車速（Ｖ）、積荷を含む車体質量（ｍ）および走行中の路面摩擦係数（μ）により示される車両条件を含む走行条件を車両モデル（５）に出力するとともに、そのデータが正常であるか否かを判定する。その値が正常であればＰＩＤ制御をそのまま継続し同様の処理を繰り返す。異常であれば、
比例利得 Ｐ＝ｐ０ （０．１≦ｐ０ ≦０．２）
積分利得 Ｉ≒０
微分利得 Ｄ≒０
を設定し制御回路（３）に出力する。
【００２０】
制御回路（３）は、この値を用いて、制御利得（Ｇ）を
Ｇ＝Ｐ＋（Ｉ／ｓ）＋Ｄｓ
により演算し、この小さい値に設定された制御利得（Ｇ）による制御出力（δ）を車両モデル（５）を介して負帰還させ、この負帰還処理により補正された制御出力（δ）をアクチュエータに出力し自動操舵制御を継続する。
【００２１】
これにより、走行データに異常が表れても直ちに自動制御が解除されるのではなく、比例制御のみが継続され、しかもその比例利得がきわめて小さい値（ロバスト性の高い感度）で継続されるので、感度が鈍く制御が乱れる可能性は小さい。走行データが正常に戻るとただちに前の制御をつづけて実行することができる。したがって運転者は自動制御の解除に伴う再設定の操作を繰り返し行う必要はない。
【００２２】
本発明の第三の観点は、車両モデルにより自車の走行状態を推測しフィードバックするとともに、走行データに異常が検出されたとき、あるいは車速が零にあるときには、制御感度を低くして自動制御を継続する構成についてであって、上述の二つの制御をともに備えた構成を特徴とする。
【００２３】
すなわち、操舵目標値（Ｓ）を取込む手段（１）と、この目標値（Ｓ）と自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ）を演算する手段（２）と、この差分（Δ）に対してＰＩＤ演算処理を行い制御出力（δ）を送出する制御回路（３）とを備えた車両の自動操舵装置において、伝達関数として自車の車両モデル（５）を備え、前記制御出力（δ）がこの車両モデルを介して前記制御回路（３）の入力に負帰還接続され、
前記制御回路（３）の制御利得（Ｇ）を
Ｇ＝Ｐ＋（Ｉ／ｓ）＋Ｄｓ
ただし、Ｐは比例利得、Ｉは積分利得、Ｄは微分利得、
ｓはラプラス演算子
とするとき、車両に設けられたセンサ出力に異常が検出されるときに、前記制御回路（３）にＰ＝ｐ０ 、Ｉ≒０、Ｄ≒０（ただしｐ０ ＜１）を設定する手段（６）を備えたことを特徴とする（図１参照）。
【００２４】
このような制御を行うことにより、自動操舵走行を行う場合に、実際に車両を走行させてデータを採取しなくても、積載量および運転車速の変化に対応して、制御マップを用いることなく有効な追従制御を行うことができる。また、走行データに異常が検出されたとき、あるいは車速が零を示しているときであっても、制御感度を低くして自動制御を継続することができるので、走行データの過渡的な変動などによるひんぱんな自動操舵の解除および設定の繰り返し操作を少なくすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による自動操舵装置の演算論理について説明する。図１は本発明による自動操舵装置の演算論理を説明するフローチャートである。
【００２６】
自動操舵が開始され装置がリセットされると、道路に描かれた走行レーン、道路に沿って送信される無線信号あるいは光信号、先行車両などの操舵目標値（Ｓ）を取込み（ステップ１）、自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ＝Ｓ−Ｍ）、すなわち自車の位置と目標コースとのずれを演算し（ステップ２）、この差分（Δ）に対して制御回路がＰＩＤ演算処理を行い（ステップ３）、この演算処理によって得られた制御出力（δ）を車両モデルを介して（ステップ５）制御回路の入力に負帰還させる（ステップ４）。この負帰還により車両条件および走行条件が変化した場合には、操舵目標値（Ｓ）に対する補正が行われ、補正された操舵角を設定するために必要な電圧が制御出力（δ）としてアクチュエータに付与される（ステップ４）。
【００２７】
一方、自動操舵開始のための装置のリセットにともなって、制御回路は各種センサからの出力を取込み（ステップ７）、車速（Ｖ）、積荷を含む車体質量（ｍ）および走行中の路面摩擦係数（μ）により示される車両条件を含む現在の走行条件を車両モデルに出力するとともに（ステップ８）、そのデータが正常であるか否かを判定する（ステップ９）。
【００２８】
そのデータが正常であれば制御回路によるＰＩＤ制御を継続して同様の処理を繰り返す。データに異常がある場合には、例えば走行路のカーブなどによって操舵目標値（Ｓ）が一時的に取込まれなかったことによりデータ異常が示されるようなことがあるので、走行状態の変化をリアルタイムに表わす比例利得Ｐの値を車速（Ｖ）が変化しても制御成績が最も安定する値ｐ０ に設定するとともに、走行状態の変化が表われにくい積分利得（Ｉ）および微分利得（Ｄ）をほぼ零に設定して制御回路に出力する。制御回路はこの出力により制御利得（Ｇ）を
Ｇ＝Ｐ＋（Ｉ／ｓ）＋Ｄｓ
ｓはラプラス演算子
により演算し、現状に適応した制御出力（δ）をアクチュエータに出力する。
【００２９】
比例利得Ｐに設定する値は、０．１≦ｐ０ ≦０．２の範囲で設定される。図２は本発明装置にかかわるＰ値と制御成績との関係を車速毎に示したものである。縦軸の制御成績は、図３に示す操舵角の実測値と演算された操舵角の値とのずれ量を面積（斜線の部分）で表わした値である。Ｐ値を変化させると、車速が４０ｋｍ／ｈ、６０ｋｍ／ｈ、８０ｋｍ／ｈのときのいずれも制御成績は変化するが、車速が変化しても制御成績が安定するＰ値が存在する。この例ではその安定する範囲は０．１〜０．２であり、したがってその中心値０．１５を設定すれば有効な制御を行うことができる。
【００３０】
なお、車両条件がない状態、例えば、発車前あるいはセンサ故障時には、車両モデルおよび制御回路は動作できない状態にあるので仮の初期値を設定する。この初期値には、実車の挙動と車両モデルで計算した挙動に大きな違いが発生しない安定した制御ができる値を設定する。
【００３１】
【実施例】
ここで、本発明による演算論理を用いた自動操舵装置の実施例について説明する。図４は本発明実施例自動操舵装置による自動操舵状態を説明する図、図５は本発明実施例自動操舵装置の要部の構成を示すブロック図である。操舵目標としては、道路に描かれた走行レーンに沿って走行するもの、道路に沿って送信される無線信号あるいは光信号に追従するもの、先行車両に追尾するものなどがあるが、図２には先行車両に追尾する形態の実施例が示されている。
【００３２】
本発明実施例は、先行車両を操舵目標としてレーダ装置２１からその操舵目標値（Ｓ）を取込む操舵目標値取込手段１１と、この目標値（Ｓ）と操舵角センサ２０より検出された自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ）を演算する操舵値差分演算手段１２と、この差分（Δ）に対してＰＩＤ演算処理を行うＰＩＤ演算処理手段１０を含み制御出力（δ）を操舵アクチュエータ２２に送出する制御回路１３とが備えられ、本発明の特徴として、車両モデル１５が備えられ、制御出力（δ）がこの車両モデル１５を介して制御回路１３の入力に負帰還接続される。
【００３３】
車両モデル１５は、車速センサ２３により検出された車速（Ｖ）、荷重センサ２４により検出された積荷を含む車体質量（ｍ）、および路面摩擦係数推定装置２５により推定演算された走行中の路面の摩擦係数（μ）その他をパラメタに含む演算関数として、例えば、
【００３４】
【数１】
【００３５】
ただし、β：横すべり角、γ：ヨーレイト、ｋｆ ：フロント・コーナリング・フォース、ｋｒ ：リヤ・コーナリング・フォース、ｌｆ ：フロント車軸の中心から重心までの距離、ｌｒ ：リヤ車軸の中心から重心までの距離、Ｉｍ ：ヨー慣性モーメント
車両モデル１５には、その他の制御情報として、ヨーレイト・センサ２６、ブレーキ・センサ２７および加速度センサ２８の出力が接続される。
【００３６】
さらに、制御回路１３の制御利得（Ｇ）を
Ｇ＝Ｐ＋（Ｉ／ｓ）＋Ｄｓ
ただし、Ｐは比例利得、Ｉは積分利得、Ｄは微分利得、ｓはラプラス演算子とするとき、車両に設けられたセンサ出力に異常が検出されたときに、制御回路１３にＰ＝ｐ０ 、Ｉ≒０、Ｄ≒０（ただし、ｐ０ ＜１）を設定するＰＩＤ値設定手段１６が備えられる。
【００３７】
車両に設けられたセンサ出力に異常が検出されたときには、車速が零であるとき（Ｖ＝０）が含まれ、比例利得Ｐに設定されるｐ０ は、
０．１≦ｐ０ ≦０．２
の範囲で設定される。
【００３８】
次に、このように構成された本発明実施例自動操舵装置による動作について説明する。本実施例装置の動作は図１に示すフローチャートの流れにしたがって行われる。
【００３９】
すなわち、自動操舵が開始され装置がリセットされると、操舵目標値取込手段１１がレーダ装置２１が検知した先行車両を操舵目標値（Ｓ）として取込み、操舵値差分演算手段１２が操舵角センサからの出力に示されている現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ＝Ｓ−Ｍ）を演算する。この差分（Δ）が自車の位置と目標コースとのずれとなる。演算された差分（Δ）は制御回路１３に出力され、制御回路１３のＰＩＤ演算処理手段１０がその差分に対してＰＩＤ演算処理を行い制御出力（δ）を算出し、車両モデル１５を介して制御回路１３に負帰還する。
【００４０】
この負帰還により車両条件および走行条件に変化があれば、操舵目標値（Ｓ）に対する補正が行われ、補正された操舵角を設定するために必要とされる電圧が制御出力（δ）として操舵アクチュエータ２２に付与される。
【００４１】
一方、自動操舵開始のリセットにともなって、車速センサ２３、荷重センサ２４および路面摩擦係数推定装置２５から車速（Ｖ）、積荷を含む車体質量（ｍ）および走行中の路面摩擦係数（μ）を取込み、現在の車両条件を含む走行条件を示す制御情報として車両モデル１５に出力するとともに、そのデータが正常であるか否かを判定する。
【００４２】
正常であれば制御回路１３によるＰＩＤ制御を継続して同様の処理を繰り返す。そのデータが異常であれば走行状態の変化をリアルタイムに表わす比例利得Ｐの値を車速（Ｖ）が変化しても制御成績が最も安定する値ｐ０ （例えば０．１５）に選定するとともに、走行状態の変化が表われにくい積分利得（Ｉ）および微分利得（Ｄ）をほぼ零に設定して制御回路１３に出力する。
【００４３】
制御回路１３はこの出力により制御利得（Ｇ）を
Ｇ＝Ｐ＋（Ｉ／ｓ）＋Ｄｓ
ｓはラプラス演算子
により演算し、現状に適応した制御出力（δ）を操舵アクチュエータ２２に出力する。操舵アクチュエータ２２はこの制御出力にしたがって操舵を行い操舵目標に車両を追従させる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、自動操舵走行を行う自動車において、実際に車両を走行させてデータを採取しなくても、積載量および運転車速の変化に対応して、制御マップを用いることなく有効な追従制御を行うことができる。また、走行データに異常が検出されたとき、あるいは車速が零にあるときであっても、制御感度を低くして（ロバスト性の高い感度に設定して）自動制御を継続し、走行データの過渡的な変動などによるひんぱんな自動操舵の解除および設定の繰り返し操作をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による自動操舵装置の演算論理を説明するフローチャート。
【図２】本発明による自動操舵装置にかかわるＰ値と制御成績との関係を示す図。
【図３】本発明による自動操舵装置にかかわる操舵角の実測値と演算値とのずれを説明する図。
【図４】本発明実施例自動操舵装置による自動操舵状態を説明する図。
【図５】本発明実施例自動操舵装置の要部の構成を示すブロック図。
【図６】従来例自動操舵装置の演算論理を説明するフローチャート。
【図７】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はＰＩＤ制御のパラメタ変更を説明する図。
【符号の説明】
１０ ＰＩＤ演算処理手段
１１ 操舵目標値取込手段
１２ 操舵値差分演算手段
１３ 制御回路
１５ 車両モデル
１６ ＰＩＤ値設定手段
２０ 操舵角センサ
２１ レーダ装置
２２ 操舵アクチュエータ
２３ 車速センサ
２４ 荷重センサ
２５ 路面摩擦係数推定装置
２６ ヨーレイト・センサ
２７ ブレーキ・センサ
２８ 加速度センサ
Claims (7)
- 操舵目標値（Ｓ）を取込む手段（１）と、この目標値（Ｓ）と自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ）を演算する手段（２）と、この差分（Δ）に対してＰＩＤ演算処理を行い制御出力（δ）を送出する制御回路（３）とを備えた車両の自動操舵装置において、
伝達関数として自車の車両モデル（５）を備え、前記制御出力（δ）がこの車両モデルを介して前記制御回路（３）の入力に負帰還接続されたことを特徴とする車両の自動操舵装置。 - 前記車両モデルは、車速（Ｖ）、積荷を含む車体質量（ｍ）および走行中の路面の摩擦係数（μ）をパラメタに含む演算関数として与えられる請求項１記載の車両の自動操舵装置。
- 前記車両モデルは、車両に設けられたセンサ出力にしたがってリアルタイムに与えられる演算関数である請求項２記載の自動操舵装置。
- 操舵目標値（Ｓ）を取込む手段（１）と、この目標値（Ｓ）と自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ）を演算する手段（２）と、この差分（Δ）に対してＰＩＤ演算処理を行い制御出力（δ）を送出する制御回路（３）とを備えた車両の自動操舵装置において、
前記制御回路（３）の制御利得（Ｇ）を
Ｇ＝Ｐ＋（Ｉ／ｓ）＋Ｄｓ
ただし、Ｐは比例利得、Ｉは積分利得、Ｄは微分利得、
ｓはラプラス演算子
とするとき、車両に設けられたセンサ出力に異常が検出されるときに、前記制御回路（３）にＰ＝ｐ０ 、Ｉ≒０、Ｄ≒０（ただし、ｐ０ ＜１）を設定する手段（６）を備えたことを特徴とする車両の自動操舵装置。 - 車両に設けられたセンサ出力に異常が検出されるときには、車速が零であるとき（Ｖ＝０）を含む請求項４記載の車両の自動制御装置。
- ０．１ ≦ｐ０ ≦０．２ である請求項４記載の車両の自動操舵装置。
- 操舵目標値（Ｓ）を取込む手段（１）と、この目標値（Ｓ）と自車の現在の操舵値（Ｍ）との差分（Δ）を演算する手段（２）と、この差分（Δ）に対してＰＩＤ演算処理を行い制御出力（δ）を送出する制御回路（３）とを備えた車両の自動操舵装置において、
伝達関数として自車の車両モデル（５）を備え、前記制御出力（δ）がこの車両モデルを介して前記制御回路（３）の入力に負帰還接続され、
前記制御回路（３）の制御利得（Ｇ）を
Ｇ＝Ｐ＋（Ｉ／ｓ）＋Ｄｓ
ただし、Ｐは比例利得、Ｉは積分利得、Ｄは微分利得、
ｓはラプラス演算子
とするとき、車両に設けられたセンサ出力に異常が検出されるときに、前記制御回路（３）にＰ＝ｐ０ 、Ｉ≒０、Ｄ≒０（ただしｐ０ ＜１）を設定する手段（６）を備えたことを特徴とする車両の自動操舵装置。
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