JP3785967B2 - 車線追従走行制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自車両を走行車線に追従して走行させる車線追従走行制御を行う車線追従走行制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の車線追従走行制御装置としては、例えば、自車両の走行状態に関する状態量を推定してフィードバックし、自車両を走行車線に追従して走行させる操舵トルクを発生するものが知られている。
この従来例にあっては、自車両の走行状態に関する状態量として、操舵系に加わる外乱トルクを推定してフィードバックすることで、当該外乱トルクによる車線追従性能の悪化を抑制していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような車線追従走行制御装置にあっては、操舵系に加わる外乱トルクを推定してフィードバックすることで、当該外乱トルクによる車線追従性能の悪化を抑制することができるものの、運転者が意図的に操舵介入を行ったときにも、運転者の操舵トルクを外乱トルクとしてフィードバックし、当該操舵トルクを打ち消すトルクを発生してしまうので、運転者が操舵介入しづらいという問題点があった。
【０００４】
そこで、本発明は、上記従来例の問題点に着目してなされたものであって、外乱トルクによる車線追従性能の悪化を抑制すると共に、運転者が容易に操舵介入できる車線追従走行制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明である車線追従走行制御装置は、自車両の走行車線を検出する走行車線検出手段と、自車両の走行状態を検出する走行状態検出手段と、前記走行車線検出手段で検出された走行車線と前記走行状態検出手段で検出された走行状態とに基づいて、少なくとも操舵系に加えられた外乱トルクを含む状態量を推定する状態量推定手段と、前記状態量推定手段で推定された状態量をフィードバックして指令トルクを算出する指令トルク算出手段と、前記指令トルク算出手段で算出された指令トルクに応じた操舵トルクを発生する操舵トルク発生手段と、を備え、前記状態量推定手段は、前記外乱トルクを高周波成分と低周波成分とに分けて推定し、且つ、前記指令トルク算出手段は、前記状態量推定手段で推定された外乱トルクの高周波成分のフィードバック分を、低周波成分のフィードバック分よりも小さくすることを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の車線追従走行制御装置において、前記状態量推定手段は、手動操舵時の運転者の操舵トルクの標準偏差をβdとし、運転者の操舵トルクの方向が単位時間に変化する平均回数をνdとし、正規化されたホワイトノイズをωとしたとき、前記外乱トルクの高周波成分Ｔddを、
(d/dt)Ｔdd＝−ｐtrqd・Ｔdd＋ｑtrqd・ω
但し、ｐtrqd＝２・νd、ｑtrqd＝（４・νd・βd2）1/2
に従って算出すると共に、
前記νdよりも小さいνfを設定し、前記外乱トルクの低周波成分Ｔdfを、
(d/dt)Ｔdf＝−ｐtrqf・Ｔdf＋ｑtrqf・ω
但し、ｐtrqf＝２・νf、ｑtrqf＝（４・νf・βf2）1/2 、βf＝βd
に従って算出することを特徴とする。
【０００７】
さらに、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の車線追従走行制御装置において、前記状態量推定手段は、前記外乱トルクを高周波成分と低周波成分とに分けて推定するオブザーバであり、前記指令トルク算出手段は、前記オブザーバで推定された外乱トルクの高周波成分のフィードバックゲインを、低周波成分のフィードバックゲインよりも小さくすることを特徴とする。
【０００８】
またさらに、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の車線追従走行制御装置において、前記指令トルク算出手段は、前記状態量推定手段で推定された外乱トルクの高周波成分が所定値を越えたときに、時間経過と共に指令トルクを徐々に小さくする休止モードに変化すると共に、休止モードに変化してから所定時間が経過したときに休止モードから復帰することを特徴とする。
【０００９】
またさらに、請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の車線追従走行制御装置において、操舵系に加えられた運転者の操舵介入トルクを検出する操舵介入トルク検出手段を備え、前記状態量推定手段は、前記操舵介入トルク検出手段で検出された操舵介入トルクを前記外乱トルクの高周波成分の推定結果とすることを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
したがって、請求項１に係る発明である車線追従走行制御装置にあっては、操舵系に加わる外乱トルクを高周波成分と低周波成分とに分けて推定し、且つ、推定した外乱トルクの高周波成分のフィードバック分を、低周波成分のフィードバック分よりも小さくするように構成したため、車線追従走行制御中に、運転者が操舵介入を行ったときには、その操舵トルクにより外乱トルクの高周波成分の推定結果は大きくなるが、そのフィードバック分は小さくなるので、運転者は容易に操舵介入できる。また、外乱トルクの高周波成分と低周波成分とをフィードバックするように構成したため、例えば外乱トルクの低周波成分だけをフィードバックする場合や、外乱トルクを全くフィードバックしない場合に比べて、外乱トルクによる車線追従性能の悪化を抑制することができる。
【００１１】
また、請求項２に係る発明である車線追従走行制御装置にあっては、前記外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdfを変数が少なく簡潔な式に従って算出するように構成したため、それらの式に従って容易に、操舵系に加わる外乱トルクを高周波成分と低周波成分とに分けて推定すると共に、推定した外乱トルクの高周波成分のフィードバック分を、低周波成分のフィードバック分よりも小さくすることができ、好ましい。
【００１２】
さらに、請求項３に係る発明である車線追従走行制御装置にあっては、外乱トルクの高周波成分のフィードバックゲインを、低周波成分のフィードバックゲインよりも小さくするように構成したため、外乱トルクの高周波成分のフィードバック分を、低周波成分のフィードバック分よりも容易に小さくでき、好ましい。
また、請求項４に係る発明である車線追従走行制御装置にあっては、外乱トルクの高周波成分の推定結果が所定値を越えたときに、時間経過と共に指令トルクを徐々に小さくする休止モードに変化するように構成したため、車線追従走行制御中に、運転者が大きなトルクで操舵介入を行ったときには、その操舵トルクにより外乱トルクの高周波成分の推定結果は大きくなるが、休止モードに変化して指令トルクが徐々に小さくなるので、運転者は容易に操舵介入できる。
【００１３】
また、運転者の操舵介入を外乱トルクの高周波成分で推定するように構成したため、運転者の操舵トルクを検出するためのセンサを必要とせず、その分だけ安価に構成することができる。
さらに、請求項５に係る発明である車線追従走行制御装置にあっては、運転者の操舵トルクを検出して前記外乱トルクの高周波成分の推定結果とするため、車線追従走行制御中に、運転者が操舵介入を行ったときには、その操舵トルクにより外乱トルクの高周波成分の推定結果は大きくなるが、その推定結果のフィードバック分は小さくなり、且つ、その操舵トルクが定常値に落ち着いたとしても、低周波成分Ｔdfの推定結果が大きくなることはないので、運転者は容易に操舵介入できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を伴って説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態を示す概略構成図であり、図１（ｂ）において、１ＦＬ，１ＦＲは前輪、１ＲＬ及び１ＲＲは後輪を示し、前輪１ＦＬ，１ＦＲには一般的なラックアンドピニオン式の操舵機構が配設されている。この操舵機構は、前輪１ＦＬ，１ＦＲの操舵軸（タイロッド）に接続されるラック２と、これに噛合するピニオン３と、このピニオン３をステアリングホイール４に与えられる操舵トルクで回転させるステアリングシャフト５とを備えている。
【００１５】
また、ステアリングシャフト５におけるピニオン３の上部には、前輪１ＦＬ，１ＦＲを自動操舵するための操舵アクチュエータを構成する自動操舵機構１３が配設されている。この自動操舵機構１３は、ステアリングシャフト５と同軸に取り付けられたドリブンギヤ１４と、これに噛合するドライブギヤ１５と、このドライブギヤ１５を回転駆動する自動操舵用モータ１６とから構成されている。なお、自動操舵用モータ１６とドライブギヤ１５との間にはクラッチ機構１７が介装されており、自動操舵制御時にのみクラッチ機構１７が締結され、そうでないときにはクラッチ機構１７が非締結状態となって自動操舵用モータ１６の回転力がステアリングシャフト５に入力されないようにしている。
【００１６】
また、車両には種々のセンサ類が取り付けられている。図中、２１は操舵角センサであって、ステアリングシャフト５の回転角の時間変化率から操舵角速度θ'を検出してコントロールユニット１０に出力する。ここで、前記操舵角センサ２１で検出される操舵角速度θ'は、例えば右操舵時に正値、左操舵時に負値となるように設定されている。
【００１７】
さらに、車室内のインナーミラーステー等の固定部には、図１（ａ）に示すように、ＣＣＤカメラ等の単眼カメラ２５が設置され、車両前方状況を撮像し、撮像した画像データをカメラコントローラ２６に出力する。このカメラコントローラ２６は、例えば特開平１１−１０２４９９号公報に記載されているように、単眼カメラ２５の画像データに二値化等の処理を施して自車両近傍の白線を検出すると共に、図２に示すように、車両前方注視点（例えば、自車両の１０，２０，３０m先）での走行車線に対する横変位である前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2を算出し、これらをコントロールユニット１０に出力する。
【００１８】
コントロールユニット１０は、図示しないマイクロコンピュータ等の離散化されたディジタルシステムで構成され、入力された操舵角速度θ'及び前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2に基づいて車線追従に必要な操舵指令トルクを求め、その操舵指令トルクを達成するための指令電流ｉを算出し、この指令電流ｉを電流サーボ系を介して自動操舵用モータ１６に出力することにより、車線追従走行制御を行う。
【００１９】
図３に、本実施形態のコントロールユニットの構成をブロック図化して示す。この実施形態では、前記指令電流（の前回値）ｉ、操舵角センサ２１で検出された操舵角速度θ'、カメラコントローラ２６で算出された前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2を用いて、オブザーバ（状態推定器）６によって車両状態量及び車線曲率ρ、外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdfをベクトルとして算出（推定）する。そして、このオブザーバ６で算出されたヨーレートΦ及び車両の白線の接線に対するヨー角Φｒ、車線に対する自車両の横変位ｙCr、横変位速度ｙCr'、操舵角θ、車線曲率ρ、外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdfに基づいてレギュレータ７で指令電流ｉを算出出力する。
【００２０】
図４には、オブザーバ６の構成を示す。図４中、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、システムの構成から決定される行列、Ｋｅは観測ノイズによって決定される行列である。以下、操舵外乱を考慮した各行列の設定方法について説明する。ここでは、前記指令電流ｉ及び車線曲率ρを入力、前記外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdfを非制御の入力（即ち、外乱）とする状態方程式は、下記１式で表される。
【００２１】
【数１】
【００２２】
また、前記１式中の行列の各要素は、下記２式で表される。
【００２３】
【数２】
【００２４】
また、出力方程式の一例を下記３式で表す。
【００２５】
【数３】
【００２６】
この場合、出力は操舵角速度θ'、及び前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2（３点）である。但し、図４に示すように、オブザーバ６が想定するシステムには外乱が存在していない（１式中の外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdfがない）。この問題を解決する方法が外乱オブザーバと呼ばれるもので、外乱を白色ノイズで駆動される一次系で近似し、状態量に組み入れるものである。下記４式に、操舵外乱の振る舞いを近似する一次式を示す。
【００２７】
【数４】
【００２８】
この４式中のλd及びωdの分散の決定方法について説明する。まず、外乱トルクの高周波成分Ｔddの振る舞いを、図５に示すように、振幅が一定で、周期が不確定な、ポアソン方形波で近似する。そして、そのポアソン方形波を、手動操舵時の運転者による操舵トルクを参考に設定する。つまり、運転者の操舵トルクが、１秒間に、零を横切る回数νdをポアソン方形波の周期とし、運転者の操舵トルクの標準偏差βdを振幅とする。このポアソン近似を、前記４式の近似に戻すと、下記５式、６式を得る。これにより、４式中のλd及びωdの分散が決定できる。このように、外乱トルクの低周波成分Ｔdfを運転者の操舵トルクに基づいて設定することにより、自動操舵制御時に運転者がステアリングホイール４に手動操舵時と同じ操舵トルクを加えたとしても、その操舵トルクを効果的に打ち消すことができ、自車両の車線追従性能の悪化を抑制することができる。
【００２９】
また、同様に、外乱トルクの低周波成分Ｔdfの振る舞いもポアソン方形波で近似して、そのポアソン方形波の振幅βfを運転者の操舵トルクの標準偏差βdに設定すると共に、その周期をνdよりも大きいνfに設定して、外乱トルクの高周波成分Ｔddを低周波成分Ｔdfよりも小さく設定する。
【００３０】
【数５】
【００３１】
そして、前記４式を前記１式に代入して下記７式が得られる。
【００３２】
【数６】
【００３３】
同様に、前記４式を前記２式に代入して下記８式が得られる。
【００３４】
【数７】
【００３５】
前記７式及び８式を略記して、前記オブザーバ構成内のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各行列を得る。また、前記行列Ｋｅはカルマンフィルタの構成法が知られており、観測ノイズの分散（この場合には前方注視点横変位のノイズの分散）と、状態量に加わるノイズの分散（この場合には操舵外乱に加わるノイズの分散）及び前記行列Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄから決定されるが、詳細は、発明の本質から離れるため、ここでは省略する。
【００３６】
前記７式が、制御対象を表す式であるが、制御対象の入力には、制御量である指令電流ｉの他に車線曲率ρが存在し、後述するレギュレータを設計するための通常の最適制御設計ができない。これを解決する方法として、確率論的最適レギュレータ設計法が知られており、制御量以外のシステムの入力を白色ノイズで駆動される一次系で近似し、状態量に組み入れるものである。車線曲率ρの振る舞いを近似する一次式を下記９式に示す。
【００３７】
【数８】
【００３８】
この９式中のλρ及びωρの分散の決定方法について説明する。まず、車線曲率ρの振る舞いを、振幅ρ0 が一定で、周期が不確定な、ポアソン方形波で近似する。例えば、想定する車線の曲率平均を振幅ρ0 に代入する。車線曲率の変化は不確定であるが、例えば１秒間に、どの程度、零を横切るかで近似することとし、その回数をνρとする。このポアソン近似を、前記９式の近似に戻すと、下記１０式、１１式を得る。これにより、９式中のλρ及びωρの分散が決定できる。
【００３９】
【数９】
【００４０】
そして、前記９式を前記７式に代入して下記１２式が得られる。
【００４１】
【数１０】
【００４２】
この１２式に最適制御理論を適用して、下記１３式に示すレギュレータを構成する各フィードバック係数ｋ1 〜ｋ8 を設定することができるが、その詳細は、発明の本質から離れるため、ここでは省略する。なお、最適制御理論で設定されるフィードバック係数は、そのフィードバック係数に対応する状態量が変化しやすいものであるときには小さくされるため、外乱トルクの高周波成分Ｔddのフィードバック係数ｋ7dは、低周波成分Ｔdfのフィードバック係数ｋ7fよりも小さく設定される。
【００４３】
【数１１】
【００４４】
次に、上記実施形態の動作をコントロールユニット１０で実行する操舵制御処理を表す図６のフローチャートを伴って説明する。
この操舵制御処理は、所定サンプリング時間ΔＴ（例えば１０msec. ）毎のタイマ割込処理として実行され、まず、ステップＳ１０１で、前記操舵角センサ２１で検出された操舵角速度θ'と、カメラコントローラ２６で算出された前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2とを読み込み、ステップＳ１０２に移項する。
【００４５】
前記ステップＳ１０２では、前記ステップＳ１０１で読み込んだ操舵角速度θ'及び前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2を用い、前記オブザーバ６を用いて、前記外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdf、車線曲率ρを含む各種の車両状態量を算出（推定）し、ステップＳ１０３に移項する。
前記ステップＳ１０３では、自動操舵制御が休止状態であることを示す休止フラグＦが「１」のセット状態であるか否か判定し、セット状態であるときには（Ｙｅｓ）ステップＳ１０６に移行し、そうでないときには（Ｎｏ）ステップＳ１０４に移行する。なお、初期状態においては、休止フラグＦは「０」のリセット状態に設定されるものとする。
【００４６】
前記ステップＳ１０４では、外乱トルクの高周波成分Ｔddの大きさが所定値Ｔd0以上か否か判定し、所定値Ｔd0（例えば、緊急回避時に運転者が発生する操舵トルク）以上であるときには（Ｙｅｓ）前記ステップＳ１０６に移行し、そうでないときには（Ｎｏ）ステップＳ１０５に移行する。
前記ステップＳ１０５では、前記ステップＳ１０２で算出された外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdf等を用いて前記レギュレータ７によって指令電流ｉを算出してから、ステップＳ１０７に移行する。
【００４７】
一方、ステップＳ１０６では、時間経過と共に指令電流ｉを徐々に小さくする後述の自動操舵休止処理を実行してから、前記ステップＳ１０７に移行する。
前記ステップＳ１０７では、前記指令電流ｉに実際のモータ電流値が一致するようにモータ電流サーボを行ってから、この操舵制御処理を終了する。
次に、上記操舵制御処理のステップＳ１０６で実行される自動操舵休止処理を図７のフローチャートに基づいて詳細に説明する。まず、この処理が実行されると、ステップＳ２０１に移行するようになっており、そのステップＳ２０１では、休止フラグＦが「１」のセット状態であるか否か判定し、セット状態であるときには（Ｙｅｓ）ステップＳ２０３に移行し、そうでないときには（Ｎｏ）ステップＳ２０２に移行する。
【００４８】
前記ステップＳ２０２では、休止フラグＦを「１」のセット状態にすると共に、その休止フラグＦがセット状態になってからの経過時間を示す休止タイマ値timを「０」にリセットしてから、ステップＳ２０４に移行する。
一方、前記ステップＳ２０３では、休止タイマ値timに所定サンプリング時間ΔＴを加算してから、前記ステップＳ２０４に移行する。
【００４９】
前記ステップＳ２０４では、休止タイマ値timが第１の所定時間timＡより小さいか否か判定し、小さいときには（Ｙｅｓ）ステップＳ２０５に移行し、そうでないときには（Ｎｏ）ステップＳ２０６に移行する。
前記ステップＳ２０５では、図８に示すように、下記１４式に従って時間の経過と共に小さくなる補正係数ｋを算出し、その補正係数ｋを休止タイマ値timが「０」にリセットされる直前の指令電流ｉ'に乗じて指令電流ｉを算出してから、この自動操舵休止処理を終了する。
【００５０】
ｋ＝ｉ'（１−tim／timＡ） ………（１４）
一方、前記ステップＳ２０６では、休止タイマ値timが第２の所定時間timＢより小さいか否か判定し、小さいときには（Ｙｅｓ）ステップＳ２０７に移行し、そうでないときには（Ｎｏ）ステップＳ２０８に移行する。
前記ステップＳ２０７では、図９に示すように、指令電流ｉとして「０」を算出してから、この自動操舵休止処理を終了する。
【００５１】
前記ステップＳ２０８では、外乱トルクの高周波成分Ｔddの大きさが所定値Ｔd0より大きいか否か判定し、大きいときには（Ｙｅｓ）ステップＳ２０９に移行し、そうでないときには（Ｎｏ）ステップＳ２１０に移行する。
前記ステップＳ２０９では、休止タイマ値timを「０」にリセットしてから、前記ステップＳ２０５に移項する。
【００５２】
一方、前記ステップＳ２１０では、休止タイマ値timが第３の所定時間timＣより小さいか否か判定し、小さいときには（Ｙｅｓ）ステップＳ２１２に移行し、そうでないときには（Ｎｏ）ステップＳ２１１に移項する。
前記ステップＳ２１１では、休止フラグＦを「０」のリセット状態にしてから、前記ステップＳ２１２に移項する。
【００５３】
前記ステップＳ２１２では、時間経過と共に自動操舵制御を休止状態から徐々に復帰させる後述の自動操舵復帰処理を行ってから、この自動操舵休止処理を終了する。
次に、自動操舵休止処理のステップＳ２１２で実行される自動操舵復帰処理を図１０のフローチャートに基づいて詳細に説明する。まず、この処理が実行されると、ステップＳ３０１に移行するようになっており、そのステップＳ３０１では、操舵制御処理のステップＳ１０２で算出された外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdf等を用いて前記レギュレータ７によって指令電流ｉを算出してから、ステップＳ３０２に移行する。
【００５４】
前記ステップＳ３０２では、図１１に示すように、下記１５式に従って時間の経過と共に大きくなる補正係数ｋを算出し、ステップＳ３０３に移行する。
ｋ＝（tim−timＢ）／（timＣ−timＢ） ………（１５）
前記ステップＳ３０３では、前記ステップＳ３０１で算出された指令電流ｉに前記ステップＳ３０２で算出された補正係数ｋを乗じて指令電流ｉを算出（補正）してから、この自動操舵復帰処理を終了する。
【００５５】
次に、本実施形態の動作を具体的な状況に基づいて詳細に説明する。
まず、高速道路を走行中に、運転者が車線追従走行制御を開始させる操作を行ったとする。すると、コントロールユニット１０で操舵制御処理が実行されて、ステップＳ１０１で、操舵角センサ２１で検出された操舵角速度θ'と、カメラコントローラ２６で算出された前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2とが読み込まれ、ステップＳ１０２で、前記ステップＳ１０１で読み込まれた操舵角速度θ'及び前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2に基づいて、オブザーバ６で外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdf、車線曲率ρを含む各種の車両状態量が算出（推定）され、また、初期状態においては休止フラグＦが「０」にされるため、ステップＳ１０３の判定が「Ｎｏ」となり、さらに、運転者がステアリングホイール４から手を離したとすると、ステップＳ１０４の判定が「Ｎｏ」となり、ステップＳ１０５で、前記ステップＳ１０２で算出された外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdf等が用いられてレギュレータ７によって指令電流ｉが算出され、ステップＳ１０７で、前記指令電流ｉに実際のモータ電流値が一致するようにモータ電流サーボが行われた後、この操舵制御処理が終了される。
【００５６】
そして、指令電流ｉが電流サーボ系を介して自動操舵用モータ１６に入力されると、自動操舵用モータ１６が回転を開始し、その回転力がドライブギヤ１５及びドリブンギヤ１４を介して、ステアリングシャフト５に入力され、さらに、ピニオン３及びラック２を介して前輪１ＦＬ、１ＦＲが操舵されて、車線追従走行制御が行われる。
【００５７】
このように、本実施形態にあっては、外乱トルクの高周波成分Ｔddと低周波成分Ｔdfとをフィードバックするように構成したため、例えば外乱トルクの低周波成分Ｔdfだけをフィードバックする場合や、外乱トルクを全くフィードバックしない場合に比べて、外乱トルクによる車線追従性能の悪化が抑制される。
また、上記フローが繰り返されて車線追従走行制御が行われているときに、自車両を車線変更させるために運転者が操舵介入したとする。すると、コントロールユニット１０で操舵制御処理が実行されて、ステップＳ１０１を経て、ステップＳ１０２で、外乱トルクの高周波成分Ｔddが大きく算出されるが、ステップＳ１０３及びＳ１０４を経て、ステップＳ１０５で、前記ステップＳ１０２で算出された外乱トルクの高周波成分Ｔddに小さなフィードバック係数ｋ7fが乗じられて、外乱トルクの高周波成分Ｔddのフィードバック分が小さくされた指令電流ｉが算出され、ステップＳ１０７で、前記指令電流ｉに実際のモータ電流値が一致するようにモータ電流サーボが行われた後、この操舵制御処理が終了される。
【００５８】
このように、本実施形態にあっては、車線追従走行制御中に、運転者が操舵介入を行ったときには、その操舵トルクにより外乱トルクの高周波成分Ｔddは大きく推定されるが、その推定結果のフィードバック分が小さくなるので、運転者は容易に操舵介入できる。
一方、上記フローが繰り返されて車線追従走行制御が行われているときに、自車両を緊急回避ようとして運転者が大きいトルクで操舵介入したとする。すると、操舵制御処理が実行されて、ステップＳ１０１を経て、ステップＳ１０２で外乱トルクの高周波成分Ｔddが大きく算出されるため、ステップＳ１０３を経て、ステップＳ１０４の判定が「Ｙｅｓ」となり、ステップＳ１０６で、自動操舵休止処理が行われる。
【００５９】
コントロールユニット１０で休止モード実行処理が行われると、まず、ステップＳ２０１の判定が「Ｎｏ」となり、ステップＳ２０２で、休止フラグＦが「１」のセット状態にされると共に、休止タイマ値timが「０」にリセットされて、ステップＳ２０４の判定が「Ｙｅｓ」となり、ステップＳ２０５で、図８に示すように、時間の経過と共に小さくなる補正係数ｋが算出され、その補正係数ｋが、休止タイマ値timＡがリセットされる直前の指令電流ｉ'に乗じられて指令電流ｉが算出され、この自動操舵休止処理が終了される。
【００６０】
そして、上記フローが繰り返し実行されているうちに、休止タイマ値timが第１の所定時間timＡを越えたとする。すると、ステップＳ２０１及びＳ２０３を経て、ステップＳ２０４の判定が「Ｎｏ」となり、また、ステップＳ２０６の判定が「Ｙｅｓ」となり、ステップＳ２０７で、図９に示すように、指令電流ｉとして「０」が算出されて、この自動操舵休止処理が終了される。
【００６１】
このように、外乱トルクの高周波成分Ｔddの推定結果が所定値Ｔd0を越えたときに、時間経過と共に指令電流ｉを徐々に小さくする休止モードに変化するようにしたため、車線追従走行制御中に、運転者が大きなトルクで操舵介入を行ったときには、その操舵トルクにより外乱トルクの高周波成分Ｔddの推定結果は大きくなるが、休止モードに変化して指令電流ｉが徐々に小さくなるので、運転者は容易に操舵介入できる。また、運転者の操舵介入を外乱トルクの高周波成分Ｔddで推定するように構成したため、運転者の操舵トルクを検出するためのセンサを必要とせず、その分だけ安価に構成することができる。さらに、操舵トルクの位相は操舵トルクよりも進んでいるため、例えば操舵角速度θ'を用いるよりも速く運転者の操舵介入を判断することができ、運転者が容易に操舵介入を行うことができる。
【００６２】
さらに、上記フローが繰り返されているうちに、休止タイマ値timが第２の所定時間timＢを越えたとする。すると、ステップＳ２０１〜Ｓ２０４を経て、ステップＳ２０６の判定が「Ｎｏ」となり、また、運転者が緊急回避を終了しているとすると、運転者の操舵トルクは所定値Ｔd0よりも小さくなるため、ステップＳ２０８の判定が「Ｎｏ」となり、ステップＳ２１０の判定が「Ｙｅｓ」となり、ステップＳ２１２で自動操舵復帰処理が行われる。
【００６３】
コントロールユニット１０で自動操舵復帰処理が行われると、まず、そのステップＳ３０１で、操舵制御処理のステップＳ１０２で算出された外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdf等を用いてレギュレータ７によって指令電流ｉが算出され、ステップＳ３０２で、図１１に示すように、時間の経過と共に大きくなる補正係数ｋが算出され、ステップＳ３０３で、前記ステップＳ３０１で算出された指令電流ｉに前記ステップＳ３０２で算出された補正係数ｋが乗じられて指令電流ｉが補正された後、この自動操舵復帰処理が終了される。そして、上記フローが繰り返されているうちに、休止タイマ値timが第３の所定時間timＣを越えたとすると、ステップＳ２０１〜Ｓ２１０を経て、ステップＳ２１１で休止フラグＦが「０」のリセット状態にされて、自動操舵制御処理が休止状態から復帰される。
【００６４】
一方、休止タイマ値timが第３の所定値timＣを越える前に、運転者が再び大きいトルクで操舵介入を行ったとする。すると、ステップＳ２０１〜Ｓ２０６を経て、ステップＳ２０８の判定が「Ｙｅｓ」となり、ステップＳ２０９で、休止タイマ値timが「０」にリセットされて、再びステップＳ２０５で、図８に示すように、時間の経過と共に小さくなる補正係数ｋが算出され、その補正係数ｋが休止フラグＦが「０」にセットされる直前の指令電流ｉ'に乗じられて指令電流ｉが算出される。
【００６５】
このように、本実施形態にあっては、休止モードからの復帰中に、運転者が大きなトルクで操舵介入を行ったときには、その復帰が中止されて、指令電流ｉが再び小さくされるので、運転者は容易に操舵介入できる。
次に、本発明の車両用走行制御装置の第２の実施形態について説明する。この実施形態は、運転者の操舵介入トルクを検出して外乱トルクの高周波成分Ｔddの推定結果とする点が第１の実施形態と異なっている。
【００６６】
つまり、第２の実施形態の車両は、操舵トルクセンサ２２が付加されており、ステアリングシャフト５の捻れ等から運転者の操舵トルクＴdrivを検出してコントロールユニット１０に出力するように概略構成が変更されている。従って、前記コントロールユニット１０内の構成は図１２のように変更されており、合わせてオブザーバ６は図１３のように変更されている。但し、オブザーバ６で用いられる検出値として操舵トルクＴdrivも加えられて、その操舵トルクＴdrivを外乱トルクの高周波成分Ｔddの推定結果とすると共に、前記オブザーバ構成内の行列Ｃを下記１６式に示すように変更するだけで、図１４に示すように、オブザーバ６自体の構成や、それによって算出（推定）される車両状態量、車線曲率ρ、外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdfは前記第１実施形態と同様であり、またレギュレータ７自体の構成も前記第１実施形態と同様である。
【００６７】
【数１２】
【００６８】
また、前記オブザーバ６で用いる検出値として外乱トルクの高周波成分Ｔddも付加されていることに伴い、前記コントロールユニット１０内で行われる演算処理も、前記第１実施形態の図６のものから図１５のものに変更されている。この図１５の演算処理と図６の演算処理との相違は、前記図６の演算処理のステップＳ１０１が、図１５ではステップＳ１０１'に変更されている点と、ステップＳ１０３、Ｓ１０４及びＳ１０６が削除されている点のみであり、その他のステップは同等である。
【００６９】
即ち、前記ステップＳ１０１'では、前記操舵角センサ２１で検出された操舵角速度θ'と、カメラコントローラ２６で算出された前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2と、前記操舵トルクセンサ２２で検出された操舵トルクＴdrivと、を読み込む。そして、前記オブザーバでは、この操舵トルクＴdrivを外乱トルクの高周波成分Ｔddの推定結果として前記各車両状態量、車線曲率ρ、外乱トルクの低周波成分Ｔdfを算出する。
【００７０】
従って、前記図１４の演算処理によれば、操舵角速度θ'、前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2、操舵トルクＴdrivを用い、前記オブザーバ６を用いて、前記外乱トルクの低周波成分Ｔdf、車線曲率ρを含む各種の車両状態量を算出し、それらの車両状態量を用いて、前記レギュレータ７によって指令電流ｉを算出し、当該指令電流ｉが達成されるようにモータ電流サーボを行う。
【００７１】
このように、本実施形態にあっては、運転者の操舵トルクＴdrivを外乱トルクの高周波成分Ｔddの推定結果とするため、車線追従走行制御中に、運転者が操舵介入を行ったときには、その操舵トルクが定常値に落ち着いたとしても、低周波成分Ｔdfの推定結果が大きくなることはないので、運転者は容易に操舵介入できる。
【００７２】
なお、上記実施の形態においては、走行車線検出センサは単眼カメラ２５及びカメラコントローラ２６に対応し、走行状態検出手段は操舵角センサ２１に対応し、状態量推定手段及び指令トルク算出手段はコントロールユニット１０に対応し、操舵トルク発生手段は自動操舵用モータ１６に対応し、操舵介入トルク検出手段は操舵トルクセンサ２２に対応する。
【００７３】
また、上記実施の形態は本発明の車線追従走行制御装置の一例を示したものであり、その構成等を限定するものではない。
例えば、上記実施形態においては、コントロールユニット１０をマイクロコンピュータ等の離散化されたディジタルシステムで構成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、関数発生器、比較器、演算器等の電子回路を組み合わせて構成するようにしてもよい。
【００７４】
またさらに、本実施形態では、操舵角速度θ'をコントロールユニット１０に入力する例を示したが、これに限定される物ではなく、例えば、中立位置出しをした操舵角θを用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車線追従走行制御装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】前方注視点横変位を説明するための説明図である。
【図３】図１のコントロールユニット内の構成を示すブロック図である。
【図４】図３のオブザーバの構成を示すブロック図である。
【図５】外乱トルクの高周波成分の振る舞いを近似するポアソン方形波を示す説明図である。
【図６】図３のコントロールユニットで実行される操舵制御処理を示すフローチャートである。
【図７】図６の操舵制御処理で実行される自動操舵休止処理を示すフローチャートである。
【図８】休止タイマ値と指令電流との関係を示すグラフである。
【図９】休止タイマ値と指令電流との関係を示すグラフである。
【図１０】図７の自動操舵休止処理で実行される自動操舵制御復帰処理を示すフローチャートである。
【図１１】休止タイマ値と指令電流との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の車線追従走行制御装置の第２の実施形態を示す概略構成図である。
【図１３】図１２のコントロールユニット内の構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３のオブザーバの構成を示すブロック図である。
【図１５】図１２のコントロールユニットで実行される操舵制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２はラック
３はピニオン
４はステアリングホイール
５はステアリングシャフト
６はオブザーバ
７はレギュレータ
１０はコントロールユニット
１３は操舵機構
１６は自動操舵用モータ
２１は操舵角センサ
２２は操舵トルクセンサ
２５は単眼カメラ
２６はカメラコントローラ
【発明の属する技術分野】
この発明は、自車両を走行車線に追従して走行させる車線追従走行制御を行う車線追従走行制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の車線追従走行制御装置としては、例えば、自車両の走行状態に関する状態量を推定してフィードバックし、自車両を走行車線に追従して走行させる操舵トルクを発生するものが知られている。
この従来例にあっては、自車両の走行状態に関する状態量として、操舵系に加わる外乱トルクを推定してフィードバックすることで、当該外乱トルクによる車線追従性能の悪化を抑制していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような車線追従走行制御装置にあっては、操舵系に加わる外乱トルクを推定してフィードバックすることで、当該外乱トルクによる車線追従性能の悪化を抑制することができるものの、運転者が意図的に操舵介入を行ったときにも、運転者の操舵トルクを外乱トルクとしてフィードバックし、当該操舵トルクを打ち消すトルクを発生してしまうので、運転者が操舵介入しづらいという問題点があった。
【０００４】
そこで、本発明は、上記従来例の問題点に着目してなされたものであって、外乱トルクによる車線追従性能の悪化を抑制すると共に、運転者が容易に操舵介入できる車線追従走行制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明である車線追従走行制御装置は、自車両の走行車線を検出する走行車線検出手段と、自車両の走行状態を検出する走行状態検出手段と、前記走行車線検出手段で検出された走行車線と前記走行状態検出手段で検出された走行状態とに基づいて、少なくとも操舵系に加えられた外乱トルクを含む状態量を推定する状態量推定手段と、前記状態量推定手段で推定された状態量をフィードバックして指令トルクを算出する指令トルク算出手段と、前記指令トルク算出手段で算出された指令トルクに応じた操舵トルクを発生する操舵トルク発生手段と、を備え、前記状態量推定手段は、前記外乱トルクを高周波成分と低周波成分とに分けて推定し、且つ、前記指令トルク算出手段は、前記状態量推定手段で推定された外乱トルクの高周波成分のフィードバック分を、低周波成分のフィードバック分よりも小さくすることを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の車線追従走行制御装置において、前記状態量推定手段は、手動操舵時の運転者の操舵トルクの標準偏差をβdとし、運転者の操舵トルクの方向が単位時間に変化する平均回数をνdとし、正規化されたホワイトノイズをωとしたとき、前記外乱トルクの高周波成分Ｔddを、
(d/dt)Ｔdd＝−ｐtrqd・Ｔdd＋ｑtrqd・ω
但し、ｐtrqd＝２・νd、ｑtrqd＝（４・νd・βd2）1/2
に従って算出すると共に、
前記νdよりも小さいνfを設定し、前記外乱トルクの低周波成分Ｔdfを、
(d/dt)Ｔdf＝−ｐtrqf・Ｔdf＋ｑtrqf・ω
但し、ｐtrqf＝２・νf、ｑtrqf＝（４・νf・βf2）1/2 、βf＝βd
に従って算出することを特徴とする。
【０００７】
さらに、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の車線追従走行制御装置において、前記状態量推定手段は、前記外乱トルクを高周波成分と低周波成分とに分けて推定するオブザーバであり、前記指令トルク算出手段は、前記オブザーバで推定された外乱トルクの高周波成分のフィードバックゲインを、低周波成分のフィードバックゲインよりも小さくすることを特徴とする。
【０００８】
またさらに、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の車線追従走行制御装置において、前記指令トルク算出手段は、前記状態量推定手段で推定された外乱トルクの高周波成分が所定値を越えたときに、時間経過と共に指令トルクを徐々に小さくする休止モードに変化すると共に、休止モードに変化してから所定時間が経過したときに休止モードから復帰することを特徴とする。
【０００９】
またさらに、請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の車線追従走行制御装置において、操舵系に加えられた運転者の操舵介入トルクを検出する操舵介入トルク検出手段を備え、前記状態量推定手段は、前記操舵介入トルク検出手段で検出された操舵介入トルクを前記外乱トルクの高周波成分の推定結果とすることを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
したがって、請求項１に係る発明である車線追従走行制御装置にあっては、操舵系に加わる外乱トルクを高周波成分と低周波成分とに分けて推定し、且つ、推定した外乱トルクの高周波成分のフィードバック分を、低周波成分のフィードバック分よりも小さくするように構成したため、車線追従走行制御中に、運転者が操舵介入を行ったときには、その操舵トルクにより外乱トルクの高周波成分の推定結果は大きくなるが、そのフィードバック分は小さくなるので、運転者は容易に操舵介入できる。また、外乱トルクの高周波成分と低周波成分とをフィードバックするように構成したため、例えば外乱トルクの低周波成分だけをフィードバックする場合や、外乱トルクを全くフィードバックしない場合に比べて、外乱トルクによる車線追従性能の悪化を抑制することができる。
【００１１】
また、請求項２に係る発明である車線追従走行制御装置にあっては、前記外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdfを変数が少なく簡潔な式に従って算出するように構成したため、それらの式に従って容易に、操舵系に加わる外乱トルクを高周波成分と低周波成分とに分けて推定すると共に、推定した外乱トルクの高周波成分のフィードバック分を、低周波成分のフィードバック分よりも小さくすることができ、好ましい。
【００１２】
さらに、請求項３に係る発明である車線追従走行制御装置にあっては、外乱トルクの高周波成分のフィードバックゲインを、低周波成分のフィードバックゲインよりも小さくするように構成したため、外乱トルクの高周波成分のフィードバック分を、低周波成分のフィードバック分よりも容易に小さくでき、好ましい。
また、請求項４に係る発明である車線追従走行制御装置にあっては、外乱トルクの高周波成分の推定結果が所定値を越えたときに、時間経過と共に指令トルクを徐々に小さくする休止モードに変化するように構成したため、車線追従走行制御中に、運転者が大きなトルクで操舵介入を行ったときには、その操舵トルクにより外乱トルクの高周波成分の推定結果は大きくなるが、休止モードに変化して指令トルクが徐々に小さくなるので、運転者は容易に操舵介入できる。
【００１３】
また、運転者の操舵介入を外乱トルクの高周波成分で推定するように構成したため、運転者の操舵トルクを検出するためのセンサを必要とせず、その分だけ安価に構成することができる。
さらに、請求項５に係る発明である車線追従走行制御装置にあっては、運転者の操舵トルクを検出して前記外乱トルクの高周波成分の推定結果とするため、車線追従走行制御中に、運転者が操舵介入を行ったときには、その操舵トルクにより外乱トルクの高周波成分の推定結果は大きくなるが、その推定結果のフィードバック分は小さくなり、且つ、その操舵トルクが定常値に落ち着いたとしても、低周波成分Ｔdfの推定結果が大きくなることはないので、運転者は容易に操舵介入できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を伴って説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態を示す概略構成図であり、図１（ｂ）において、１ＦＬ，１ＦＲは前輪、１ＲＬ及び１ＲＲは後輪を示し、前輪１ＦＬ，１ＦＲには一般的なラックアンドピニオン式の操舵機構が配設されている。この操舵機構は、前輪１ＦＬ，１ＦＲの操舵軸（タイロッド）に接続されるラック２と、これに噛合するピニオン３と、このピニオン３をステアリングホイール４に与えられる操舵トルクで回転させるステアリングシャフト５とを備えている。
【００１５】
また、ステアリングシャフト５におけるピニオン３の上部には、前輪１ＦＬ，１ＦＲを自動操舵するための操舵アクチュエータを構成する自動操舵機構１３が配設されている。この自動操舵機構１３は、ステアリングシャフト５と同軸に取り付けられたドリブンギヤ１４と、これに噛合するドライブギヤ１５と、このドライブギヤ１５を回転駆動する自動操舵用モータ１６とから構成されている。なお、自動操舵用モータ１６とドライブギヤ１５との間にはクラッチ機構１７が介装されており、自動操舵制御時にのみクラッチ機構１７が締結され、そうでないときにはクラッチ機構１７が非締結状態となって自動操舵用モータ１６の回転力がステアリングシャフト５に入力されないようにしている。
【００１６】
また、車両には種々のセンサ類が取り付けられている。図中、２１は操舵角センサであって、ステアリングシャフト５の回転角の時間変化率から操舵角速度θ'を検出してコントロールユニット１０に出力する。ここで、前記操舵角センサ２１で検出される操舵角速度θ'は、例えば右操舵時に正値、左操舵時に負値となるように設定されている。
【００１７】
さらに、車室内のインナーミラーステー等の固定部には、図１（ａ）に示すように、ＣＣＤカメラ等の単眼カメラ２５が設置され、車両前方状況を撮像し、撮像した画像データをカメラコントローラ２６に出力する。このカメラコントローラ２６は、例えば特開平１１−１０２４９９号公報に記載されているように、単眼カメラ２５の画像データに二値化等の処理を施して自車両近傍の白線を検出すると共に、図２に示すように、車両前方注視点（例えば、自車両の１０，２０，３０m先）での走行車線に対する横変位である前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2を算出し、これらをコントロールユニット１０に出力する。
【００１８】
コントロールユニット１０は、図示しないマイクロコンピュータ等の離散化されたディジタルシステムで構成され、入力された操舵角速度θ'及び前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2に基づいて車線追従に必要な操舵指令トルクを求め、その操舵指令トルクを達成するための指令電流ｉを算出し、この指令電流ｉを電流サーボ系を介して自動操舵用モータ１６に出力することにより、車線追従走行制御を行う。
【００１９】
図３に、本実施形態のコントロールユニットの構成をブロック図化して示す。この実施形態では、前記指令電流（の前回値）ｉ、操舵角センサ２１で検出された操舵角速度θ'、カメラコントローラ２６で算出された前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2を用いて、オブザーバ（状態推定器）６によって車両状態量及び車線曲率ρ、外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdfをベクトルとして算出（推定）する。そして、このオブザーバ６で算出されたヨーレートΦ及び車両の白線の接線に対するヨー角Φｒ、車線に対する自車両の横変位ｙCr、横変位速度ｙCr'、操舵角θ、車線曲率ρ、外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdfに基づいてレギュレータ７で指令電流ｉを算出出力する。
【００２０】
図４には、オブザーバ６の構成を示す。図４中、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、システムの構成から決定される行列、Ｋｅは観測ノイズによって決定される行列である。以下、操舵外乱を考慮した各行列の設定方法について説明する。ここでは、前記指令電流ｉ及び車線曲率ρを入力、前記外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdfを非制御の入力（即ち、外乱）とする状態方程式は、下記１式で表される。
【００２１】
【数１】
また、前記１式中の行列の各要素は、下記２式で表される。
【００２３】
【数２】
また、出力方程式の一例を下記３式で表す。
【００２５】
【数３】
この場合、出力は操舵角速度θ'、及び前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2（３点）である。但し、図４に示すように、オブザーバ６が想定するシステムには外乱が存在していない（１式中の外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdfがない）。この問題を解決する方法が外乱オブザーバと呼ばれるもので、外乱を白色ノイズで駆動される一次系で近似し、状態量に組み入れるものである。下記４式に、操舵外乱の振る舞いを近似する一次式を示す。
【００２７】
【数４】
この４式中のλd及びωdの分散の決定方法について説明する。まず、外乱トルクの高周波成分Ｔddの振る舞いを、図５に示すように、振幅が一定で、周期が不確定な、ポアソン方形波で近似する。そして、そのポアソン方形波を、手動操舵時の運転者による操舵トルクを参考に設定する。つまり、運転者の操舵トルクが、１秒間に、零を横切る回数νdをポアソン方形波の周期とし、運転者の操舵トルクの標準偏差βdを振幅とする。このポアソン近似を、前記４式の近似に戻すと、下記５式、６式を得る。これにより、４式中のλd及びωdの分散が決定できる。このように、外乱トルクの低周波成分Ｔdfを運転者の操舵トルクに基づいて設定することにより、自動操舵制御時に運転者がステアリングホイール４に手動操舵時と同じ操舵トルクを加えたとしても、その操舵トルクを効果的に打ち消すことができ、自車両の車線追従性能の悪化を抑制することができる。
【００２９】
また、同様に、外乱トルクの低周波成分Ｔdfの振る舞いもポアソン方形波で近似して、そのポアソン方形波の振幅βfを運転者の操舵トルクの標準偏差βdに設定すると共に、その周期をνdよりも大きいνfに設定して、外乱トルクの高周波成分Ｔddを低周波成分Ｔdfよりも小さく設定する。
【００３０】
【数５】
そして、前記４式を前記１式に代入して下記７式が得られる。
【００３２】
【数６】
同様に、前記４式を前記２式に代入して下記８式が得られる。
【００３４】
【数７】
前記７式及び８式を略記して、前記オブザーバ構成内のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各行列を得る。また、前記行列Ｋｅはカルマンフィルタの構成法が知られており、観測ノイズの分散（この場合には前方注視点横変位のノイズの分散）と、状態量に加わるノイズの分散（この場合には操舵外乱に加わるノイズの分散）及び前記行列Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄから決定されるが、詳細は、発明の本質から離れるため、ここでは省略する。
【００３６】
前記７式が、制御対象を表す式であるが、制御対象の入力には、制御量である指令電流ｉの他に車線曲率ρが存在し、後述するレギュレータを設計するための通常の最適制御設計ができない。これを解決する方法として、確率論的最適レギュレータ設計法が知られており、制御量以外のシステムの入力を白色ノイズで駆動される一次系で近似し、状態量に組み入れるものである。車線曲率ρの振る舞いを近似する一次式を下記９式に示す。
【００３７】
【数８】
この９式中のλρ及びωρの分散の決定方法について説明する。まず、車線曲率ρの振る舞いを、振幅ρ0 が一定で、周期が不確定な、ポアソン方形波で近似する。例えば、想定する車線の曲率平均を振幅ρ0 に代入する。車線曲率の変化は不確定であるが、例えば１秒間に、どの程度、零を横切るかで近似することとし、その回数をνρとする。このポアソン近似を、前記９式の近似に戻すと、下記１０式、１１式を得る。これにより、９式中のλρ及びωρの分散が決定できる。
【００３９】
【数９】
そして、前記９式を前記７式に代入して下記１２式が得られる。
【００４１】
【数１０】
この１２式に最適制御理論を適用して、下記１３式に示すレギュレータを構成する各フィードバック係数ｋ1 〜ｋ8 を設定することができるが、その詳細は、発明の本質から離れるため、ここでは省略する。なお、最適制御理論で設定されるフィードバック係数は、そのフィードバック係数に対応する状態量が変化しやすいものであるときには小さくされるため、外乱トルクの高周波成分Ｔddのフィードバック係数ｋ7dは、低周波成分Ｔdfのフィードバック係数ｋ7fよりも小さく設定される。
【００４３】
【数１１】
次に、上記実施形態の動作をコントロールユニット１０で実行する操舵制御処理を表す図６のフローチャートを伴って説明する。
この操舵制御処理は、所定サンプリング時間ΔＴ（例えば１０msec. ）毎のタイマ割込処理として実行され、まず、ステップＳ１０１で、前記操舵角センサ２１で検出された操舵角速度θ'と、カメラコントローラ２６で算出された前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2とを読み込み、ステップＳ１０２に移項する。
【００４５】
前記ステップＳ１０２では、前記ステップＳ１０１で読み込んだ操舵角速度θ'及び前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2を用い、前記オブザーバ６を用いて、前記外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdf、車線曲率ρを含む各種の車両状態量を算出（推定）し、ステップＳ１０３に移項する。
前記ステップＳ１０３では、自動操舵制御が休止状態であることを示す休止フラグＦが「１」のセット状態であるか否か判定し、セット状態であるときには（Ｙｅｓ）ステップＳ１０６に移行し、そうでないときには（Ｎｏ）ステップＳ１０４に移行する。なお、初期状態においては、休止フラグＦは「０」のリセット状態に設定されるものとする。
【００４６】
前記ステップＳ１０４では、外乱トルクの高周波成分Ｔddの大きさが所定値Ｔd0以上か否か判定し、所定値Ｔd0（例えば、緊急回避時に運転者が発生する操舵トルク）以上であるときには（Ｙｅｓ）前記ステップＳ１０６に移行し、そうでないときには（Ｎｏ）ステップＳ１０５に移行する。
前記ステップＳ１０５では、前記ステップＳ１０２で算出された外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdf等を用いて前記レギュレータ７によって指令電流ｉを算出してから、ステップＳ１０７に移行する。
【００４７】
一方、ステップＳ１０６では、時間経過と共に指令電流ｉを徐々に小さくする後述の自動操舵休止処理を実行してから、前記ステップＳ１０７に移行する。
前記ステップＳ１０７では、前記指令電流ｉに実際のモータ電流値が一致するようにモータ電流サーボを行ってから、この操舵制御処理を終了する。
次に、上記操舵制御処理のステップＳ１０６で実行される自動操舵休止処理を図７のフローチャートに基づいて詳細に説明する。まず、この処理が実行されると、ステップＳ２０１に移行するようになっており、そのステップＳ２０１では、休止フラグＦが「１」のセット状態であるか否か判定し、セット状態であるときには（Ｙｅｓ）ステップＳ２０３に移行し、そうでないときには（Ｎｏ）ステップＳ２０２に移行する。
【００４８】
前記ステップＳ２０２では、休止フラグＦを「１」のセット状態にすると共に、その休止フラグＦがセット状態になってからの経過時間を示す休止タイマ値timを「０」にリセットしてから、ステップＳ２０４に移行する。
一方、前記ステップＳ２０３では、休止タイマ値timに所定サンプリング時間ΔＴを加算してから、前記ステップＳ２０４に移行する。
【００４９】
前記ステップＳ２０４では、休止タイマ値timが第１の所定時間timＡより小さいか否か判定し、小さいときには（Ｙｅｓ）ステップＳ２０５に移行し、そうでないときには（Ｎｏ）ステップＳ２０６に移行する。
前記ステップＳ２０５では、図８に示すように、下記１４式に従って時間の経過と共に小さくなる補正係数ｋを算出し、その補正係数ｋを休止タイマ値timが「０」にリセットされる直前の指令電流ｉ'に乗じて指令電流ｉを算出してから、この自動操舵休止処理を終了する。
【００５０】
ｋ＝ｉ'（１−tim／timＡ） ………（１４）
一方、前記ステップＳ２０６では、休止タイマ値timが第２の所定時間timＢより小さいか否か判定し、小さいときには（Ｙｅｓ）ステップＳ２０７に移行し、そうでないときには（Ｎｏ）ステップＳ２０８に移行する。
前記ステップＳ２０７では、図９に示すように、指令電流ｉとして「０」を算出してから、この自動操舵休止処理を終了する。
【００５１】
前記ステップＳ２０８では、外乱トルクの高周波成分Ｔddの大きさが所定値Ｔd0より大きいか否か判定し、大きいときには（Ｙｅｓ）ステップＳ２０９に移行し、そうでないときには（Ｎｏ）ステップＳ２１０に移行する。
前記ステップＳ２０９では、休止タイマ値timを「０」にリセットしてから、前記ステップＳ２０５に移項する。
【００５２】
一方、前記ステップＳ２１０では、休止タイマ値timが第３の所定時間timＣより小さいか否か判定し、小さいときには（Ｙｅｓ）ステップＳ２１２に移行し、そうでないときには（Ｎｏ）ステップＳ２１１に移項する。
前記ステップＳ２１１では、休止フラグＦを「０」のリセット状態にしてから、前記ステップＳ２１２に移項する。
【００５３】
前記ステップＳ２１２では、時間経過と共に自動操舵制御を休止状態から徐々に復帰させる後述の自動操舵復帰処理を行ってから、この自動操舵休止処理を終了する。
次に、自動操舵休止処理のステップＳ２１２で実行される自動操舵復帰処理を図１０のフローチャートに基づいて詳細に説明する。まず、この処理が実行されると、ステップＳ３０１に移行するようになっており、そのステップＳ３０１では、操舵制御処理のステップＳ１０２で算出された外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdf等を用いて前記レギュレータ７によって指令電流ｉを算出してから、ステップＳ３０２に移行する。
【００５４】
前記ステップＳ３０２では、図１１に示すように、下記１５式に従って時間の経過と共に大きくなる補正係数ｋを算出し、ステップＳ３０３に移行する。
ｋ＝（tim−timＢ）／（timＣ−timＢ） ………（１５）
前記ステップＳ３０３では、前記ステップＳ３０１で算出された指令電流ｉに前記ステップＳ３０２で算出された補正係数ｋを乗じて指令電流ｉを算出（補正）してから、この自動操舵復帰処理を終了する。
【００５５】
次に、本実施形態の動作を具体的な状況に基づいて詳細に説明する。
まず、高速道路を走行中に、運転者が車線追従走行制御を開始させる操作を行ったとする。すると、コントロールユニット１０で操舵制御処理が実行されて、ステップＳ１０１で、操舵角センサ２１で検出された操舵角速度θ'と、カメラコントローラ２６で算出された前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2とが読み込まれ、ステップＳ１０２で、前記ステップＳ１０１で読み込まれた操舵角速度θ'及び前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2に基づいて、オブザーバ６で外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdf、車線曲率ρを含む各種の車両状態量が算出（推定）され、また、初期状態においては休止フラグＦが「０」にされるため、ステップＳ１０３の判定が「Ｎｏ」となり、さらに、運転者がステアリングホイール４から手を離したとすると、ステップＳ１０４の判定が「Ｎｏ」となり、ステップＳ１０５で、前記ステップＳ１０２で算出された外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdf等が用いられてレギュレータ７によって指令電流ｉが算出され、ステップＳ１０７で、前記指令電流ｉに実際のモータ電流値が一致するようにモータ電流サーボが行われた後、この操舵制御処理が終了される。
【００５６】
そして、指令電流ｉが電流サーボ系を介して自動操舵用モータ１６に入力されると、自動操舵用モータ１６が回転を開始し、その回転力がドライブギヤ１５及びドリブンギヤ１４を介して、ステアリングシャフト５に入力され、さらに、ピニオン３及びラック２を介して前輪１ＦＬ、１ＦＲが操舵されて、車線追従走行制御が行われる。
【００５７】
このように、本実施形態にあっては、外乱トルクの高周波成分Ｔddと低周波成分Ｔdfとをフィードバックするように構成したため、例えば外乱トルクの低周波成分Ｔdfだけをフィードバックする場合や、外乱トルクを全くフィードバックしない場合に比べて、外乱トルクによる車線追従性能の悪化が抑制される。
また、上記フローが繰り返されて車線追従走行制御が行われているときに、自車両を車線変更させるために運転者が操舵介入したとする。すると、コントロールユニット１０で操舵制御処理が実行されて、ステップＳ１０１を経て、ステップＳ１０２で、外乱トルクの高周波成分Ｔddが大きく算出されるが、ステップＳ１０３及びＳ１０４を経て、ステップＳ１０５で、前記ステップＳ１０２で算出された外乱トルクの高周波成分Ｔddに小さなフィードバック係数ｋ7fが乗じられて、外乱トルクの高周波成分Ｔddのフィードバック分が小さくされた指令電流ｉが算出され、ステップＳ１０７で、前記指令電流ｉに実際のモータ電流値が一致するようにモータ電流サーボが行われた後、この操舵制御処理が終了される。
【００５８】
このように、本実施形態にあっては、車線追従走行制御中に、運転者が操舵介入を行ったときには、その操舵トルクにより外乱トルクの高周波成分Ｔddは大きく推定されるが、その推定結果のフィードバック分が小さくなるので、運転者は容易に操舵介入できる。
一方、上記フローが繰り返されて車線追従走行制御が行われているときに、自車両を緊急回避ようとして運転者が大きいトルクで操舵介入したとする。すると、操舵制御処理が実行されて、ステップＳ１０１を経て、ステップＳ１０２で外乱トルクの高周波成分Ｔddが大きく算出されるため、ステップＳ１０３を経て、ステップＳ１０４の判定が「Ｙｅｓ」となり、ステップＳ１０６で、自動操舵休止処理が行われる。
【００５９】
コントロールユニット１０で休止モード実行処理が行われると、まず、ステップＳ２０１の判定が「Ｎｏ」となり、ステップＳ２０２で、休止フラグＦが「１」のセット状態にされると共に、休止タイマ値timが「０」にリセットされて、ステップＳ２０４の判定が「Ｙｅｓ」となり、ステップＳ２０５で、図８に示すように、時間の経過と共に小さくなる補正係数ｋが算出され、その補正係数ｋが、休止タイマ値timＡがリセットされる直前の指令電流ｉ'に乗じられて指令電流ｉが算出され、この自動操舵休止処理が終了される。
【００６０】
そして、上記フローが繰り返し実行されているうちに、休止タイマ値timが第１の所定時間timＡを越えたとする。すると、ステップＳ２０１及びＳ２０３を経て、ステップＳ２０４の判定が「Ｎｏ」となり、また、ステップＳ２０６の判定が「Ｙｅｓ」となり、ステップＳ２０７で、図９に示すように、指令電流ｉとして「０」が算出されて、この自動操舵休止処理が終了される。
【００６１】
このように、外乱トルクの高周波成分Ｔddの推定結果が所定値Ｔd0を越えたときに、時間経過と共に指令電流ｉを徐々に小さくする休止モードに変化するようにしたため、車線追従走行制御中に、運転者が大きなトルクで操舵介入を行ったときには、その操舵トルクにより外乱トルクの高周波成分Ｔddの推定結果は大きくなるが、休止モードに変化して指令電流ｉが徐々に小さくなるので、運転者は容易に操舵介入できる。また、運転者の操舵介入を外乱トルクの高周波成分Ｔddで推定するように構成したため、運転者の操舵トルクを検出するためのセンサを必要とせず、その分だけ安価に構成することができる。さらに、操舵トルクの位相は操舵トルクよりも進んでいるため、例えば操舵角速度θ'を用いるよりも速く運転者の操舵介入を判断することができ、運転者が容易に操舵介入を行うことができる。
【００６２】
さらに、上記フローが繰り返されているうちに、休止タイマ値timが第２の所定時間timＢを越えたとする。すると、ステップＳ２０１〜Ｓ２０４を経て、ステップＳ２０６の判定が「Ｎｏ」となり、また、運転者が緊急回避を終了しているとすると、運転者の操舵トルクは所定値Ｔd0よりも小さくなるため、ステップＳ２０８の判定が「Ｎｏ」となり、ステップＳ２１０の判定が「Ｙｅｓ」となり、ステップＳ２１２で自動操舵復帰処理が行われる。
【００６３】
コントロールユニット１０で自動操舵復帰処理が行われると、まず、そのステップＳ３０１で、操舵制御処理のステップＳ１０２で算出された外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdf等を用いてレギュレータ７によって指令電流ｉが算出され、ステップＳ３０２で、図１１に示すように、時間の経過と共に大きくなる補正係数ｋが算出され、ステップＳ３０３で、前記ステップＳ３０１で算出された指令電流ｉに前記ステップＳ３０２で算出された補正係数ｋが乗じられて指令電流ｉが補正された後、この自動操舵復帰処理が終了される。そして、上記フローが繰り返されているうちに、休止タイマ値timが第３の所定時間timＣを越えたとすると、ステップＳ２０１〜Ｓ２１０を経て、ステップＳ２１１で休止フラグＦが「０」のリセット状態にされて、自動操舵制御処理が休止状態から復帰される。
【００６４】
一方、休止タイマ値timが第３の所定値timＣを越える前に、運転者が再び大きいトルクで操舵介入を行ったとする。すると、ステップＳ２０１〜Ｓ２０６を経て、ステップＳ２０８の判定が「Ｙｅｓ」となり、ステップＳ２０９で、休止タイマ値timが「０」にリセットされて、再びステップＳ２０５で、図８に示すように、時間の経過と共に小さくなる補正係数ｋが算出され、その補正係数ｋが休止フラグＦが「０」にセットされる直前の指令電流ｉ'に乗じられて指令電流ｉが算出される。
【００６５】
このように、本実施形態にあっては、休止モードからの復帰中に、運転者が大きなトルクで操舵介入を行ったときには、その復帰が中止されて、指令電流ｉが再び小さくされるので、運転者は容易に操舵介入できる。
次に、本発明の車両用走行制御装置の第２の実施形態について説明する。この実施形態は、運転者の操舵介入トルクを検出して外乱トルクの高周波成分Ｔddの推定結果とする点が第１の実施形態と異なっている。
【００６６】
つまり、第２の実施形態の車両は、操舵トルクセンサ２２が付加されており、ステアリングシャフト５の捻れ等から運転者の操舵トルクＴdrivを検出してコントロールユニット１０に出力するように概略構成が変更されている。従って、前記コントロールユニット１０内の構成は図１２のように変更されており、合わせてオブザーバ６は図１３のように変更されている。但し、オブザーバ６で用いられる検出値として操舵トルクＴdrivも加えられて、その操舵トルクＴdrivを外乱トルクの高周波成分Ｔddの推定結果とすると共に、前記オブザーバ構成内の行列Ｃを下記１６式に示すように変更するだけで、図１４に示すように、オブザーバ６自体の構成や、それによって算出（推定）される車両状態量、車線曲率ρ、外乱トルクの高周波成分Ｔdd及び低周波成分Ｔdfは前記第１実施形態と同様であり、またレギュレータ７自体の構成も前記第１実施形態と同様である。
【００６７】
【数１２】
また、前記オブザーバ６で用いる検出値として外乱トルクの高周波成分Ｔddも付加されていることに伴い、前記コントロールユニット１０内で行われる演算処理も、前記第１実施形態の図６のものから図１５のものに変更されている。この図１５の演算処理と図６の演算処理との相違は、前記図６の演算処理のステップＳ１０１が、図１５ではステップＳ１０１'に変更されている点と、ステップＳ１０３、Ｓ１０４及びＳ１０６が削除されている点のみであり、その他のステップは同等である。
【００６９】
即ち、前記ステップＳ１０１'では、前記操舵角センサ２１で検出された操舵角速度θ'と、カメラコントローラ２６で算出された前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2と、前記操舵トルクセンサ２２で検出された操舵トルクＴdrivと、を読み込む。そして、前記オブザーバでは、この操舵トルクＴdrivを外乱トルクの高周波成分Ｔddの推定結果として前記各車両状態量、車線曲率ρ、外乱トルクの低周波成分Ｔdfを算出する。
【００７０】
従って、前記図１４の演算処理によれば、操舵角速度θ'、前方注視点横変位ｙS0、ｙS1、ｙS2、操舵トルクＴdrivを用い、前記オブザーバ６を用いて、前記外乱トルクの低周波成分Ｔdf、車線曲率ρを含む各種の車両状態量を算出し、それらの車両状態量を用いて、前記レギュレータ７によって指令電流ｉを算出し、当該指令電流ｉが達成されるようにモータ電流サーボを行う。
【００７１】
このように、本実施形態にあっては、運転者の操舵トルクＴdrivを外乱トルクの高周波成分Ｔddの推定結果とするため、車線追従走行制御中に、運転者が操舵介入を行ったときには、その操舵トルクが定常値に落ち着いたとしても、低周波成分Ｔdfの推定結果が大きくなることはないので、運転者は容易に操舵介入できる。
【００７２】
なお、上記実施の形態においては、走行車線検出センサは単眼カメラ２５及びカメラコントローラ２６に対応し、走行状態検出手段は操舵角センサ２１に対応し、状態量推定手段及び指令トルク算出手段はコントロールユニット１０に対応し、操舵トルク発生手段は自動操舵用モータ１６に対応し、操舵介入トルク検出手段は操舵トルクセンサ２２に対応する。
【００７３】
また、上記実施の形態は本発明の車線追従走行制御装置の一例を示したものであり、その構成等を限定するものではない。
例えば、上記実施形態においては、コントロールユニット１０をマイクロコンピュータ等の離散化されたディジタルシステムで構成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、関数発生器、比較器、演算器等の電子回路を組み合わせて構成するようにしてもよい。
【００７４】
またさらに、本実施形態では、操舵角速度θ'をコントロールユニット１０に入力する例を示したが、これに限定される物ではなく、例えば、中立位置出しをした操舵角θを用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車線追従走行制御装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】前方注視点横変位を説明するための説明図である。
【図３】図１のコントロールユニット内の構成を示すブロック図である。
【図４】図３のオブザーバの構成を示すブロック図である。
【図５】外乱トルクの高周波成分の振る舞いを近似するポアソン方形波を示す説明図である。
【図６】図３のコントロールユニットで実行される操舵制御処理を示すフローチャートである。
【図７】図６の操舵制御処理で実行される自動操舵休止処理を示すフローチャートである。
【図８】休止タイマ値と指令電流との関係を示すグラフである。
【図９】休止タイマ値と指令電流との関係を示すグラフである。
【図１０】図７の自動操舵休止処理で実行される自動操舵制御復帰処理を示すフローチャートである。
【図１１】休止タイマ値と指令電流との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の車線追従走行制御装置の第２の実施形態を示す概略構成図である。
【図１３】図１２のコントロールユニット内の構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３のオブザーバの構成を示すブロック図である。
【図１５】図１２のコントロールユニットで実行される操舵制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２はラック
３はピニオン
４はステアリングホイール
５はステアリングシャフト
６はオブザーバ
７はレギュレータ
１０はコントロールユニット
１３は操舵機構
１６は自動操舵用モータ
２１は操舵角センサ
２２は操舵トルクセンサ
２５は単眼カメラ
２６はカメラコントローラ
Claims (5)
- 自車両の走行車線を検出する走行車線検出手段と、自車両の走行状態を検出する走行状態検出手段と、前記走行車線検出手段で検出された走行車線と前記走行状態検出手段で検出された走行状態とに基づいて、少なくとも操舵系に加えられた外乱トルクを含む状態量を推定する状態量推定手段と、前記状態量推定手段で推定された状態量をフィードバックして指令トルクを算出する指令トルク算出手段と、前記指令トルク算出手段で算出された指令トルクに応じた操舵トルクを発生する操舵トルク発生手段と、を備え、
前記状態量推定手段は、前記外乱トルクを高周波成分と低周波成分とに分けて推定し、且つ、前記指令トルク算出手段は、前記状態量推定手段で推定された外乱トルクの高周波成分のフィードバック分を、低周波成分のフィードバック分よりも小さくすることを特徴とする車線追従走行制御装置。 - 前記状態量推定手段は、手動操舵時の運転者の操舵トルクの標準偏差をβdとし、運転者の操舵トルクの方向が単位時間に変化する平均回数をνdとし、正規化されたホワイトノイズをωとしたとき、前記外乱トルクの高周波成分Ｔddを、
(d/dt)Ｔdd＝−ｐtrqd・Ｔdd＋ｑtrqd・ω
但し、ｐtrqd＝２・νd、ｑtrqd＝（４・νd・βd2）1/2
に従って算出すると共に、
前記νdよりも小さいνfを設定し、前記外乱トルクの低周波成分Ｔdfを、
(d/dt)Ｔdf＝−ｐtrqf・Ｔdf＋ｑtrqf・ω
但し、ｐtrqf＝２・νf、ｑtrqf＝（４・νf・βf2）1/2 、βf＝βd
に従って算出することを特徴とする請求項１に記載の車線追従走行制御装置。 - 前記状態量推定手段は、前記外乱トルクを高周波成分と低周波成分とに分けて推定するオブザーバであり、前記指令トルク算出手段は、前記オブザーバで推定された外乱トルクの高周波成分のフィードバックゲインを、低周波成分のフィードバックゲインよりも小さくすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車線追従走行制御装置。
- 前記指令トルク算出手段は、前記状態量推定手段で推定された外乱トルクの高周波成分が所定値を越えたときに、時間経過と共に指令トルクを徐々に小さくする休止モードに変化すると共に、休止モードに変化してから所定時間が経過したときに休止モードから復帰することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の車線追従走行制御装置。
- 操舵系に加えられた運転者の操舵介入トルクを検出する操舵介入トルク検出手段を備え、前記状態量推定手段は、前記操舵介入トルク検出手段で検出された操舵介入トルクを前記外乱トルクの高周波成分の推定結果とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の車線追従走行制御装置。
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