JP4050492B2 - 車線追従制御装置 - Google Patents
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- Control Of Driving Devices And Active Controlling Of Vehicle (AREA)
- Controls For Constant Speed Travelling (AREA)
- Traffic Control Systems (AREA)
- Control Of Vehicle Engines Or Engines For Specific Uses (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車線追従制御装置に関し、車両重量やタイヤの接地特性の変化に対して安定性を損なわずに済むように改良された車線追従制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の知能化を向上し、運転者の負担を軽減するために、自動的に車線を追従する車線追従制御装置の研究が進められている（特開２００１−１３４３２０号公報など参照）。この車線追従システムは、車載カメラがとらえた路面上の白線の画像から現時点の走行環境を認識すると共に、車両状態量検出手段で現時点の走行状態を認識し、画像中の白線に対する自車位置および車両状態量をフィードバックして自動的な車線追従運動を達成するものである。
【０００３】
この車線追従制御には、車両の力学モデルが必要であり、車両車重、慣性モーメント、重心位置、車速、タイヤのコーナリングパワー等といった各種の物理パラメータを予め規定しておく必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、例えば乗車人員が変化すると車両重量が変化するとか、走行路面の状況に応じてタイヤの接地特性が変化するとかいった不確定要素が含まれるため、車両諸元の公称値に基づいて上記の物理パラメータを規定すると、実際の走行状態においては力学モデル通りの挙動とならないことがある。このような実際とモデルとの間の誤差が制御に介入することは、車線追従性能の劣化に繋がるので好ましいことではない。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、物理パラメータの変動が車線追従性能の劣化に繋がらずに済むように改良された車線追従制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明においては、走行中の道路形状を検出する道路形状検出手段と、前記道路形状検出手段の出力に基づいて走行レーンをモデリングする走行レーンモデル手段と、車両の運動状態量を検出する検出手段の出力と予め設定された車両諸元とに基づいて車両の操舵系をモデリングする車両モデル手段とを有し、前記走行レーンモデル手段と前記車両モデル手段の出力により、走行レーンを保持するように操舵装置を自動制御する車線追従制御装置であって、前記車両モデル手段を、制御入力θＨと外乱入力Ｗと制御出力と評価出力Ｚを有する制御モデルである一般化プラントとし、車輪のコーナリングパワーと車重を車両諸元の不確かさとし、当該不確かさを前記車両モデル手段の評価出力Ｚに基づいて所定幅範囲内の外乱入力Ｗに変換し、当該外乱入力Ｗを前記車両モデル手段に入力した制御対象モデルに基づく制御により、走行レーンを保持するように操舵装置を自動制御することを特徴とする車線追従制御装置を提供せんとするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【０００８】
図１は、本発明に基づく車線追従制御装置が適用された車両の全体的構成を示している。図１において、車両１の運転席の上方のルーフ下面には、車両前方の道路を単眼視し、その画像を処理することによって走行車線を抽出し、その画像データから車線内に於ける自車の位置並びに方向を判別するためのＣＣＤカメラ２が取り付けられている。
【０００９】
図２に併せて示すように、本発明が適用される操舵装置は、運転者が操舵するためのステアリングホイール６と、ステアリングホイール６に直結されたステアリング軸７と、ステアリング軸７の軸端に設けられたピニオン８と、これに噛合してピニオン８（即ちステアリングホイール６）の回転運動を直線運動に変換するためのラックギア９が設けられたラック軸１０と、ラック軸１０にタイロッド（図示せず）を介して連結されたナックルアーム１１と、ナックルアーム１１が固設されたハブキャリア（図示せず）に支持された前輪１２とからなっている。また、本操舵装置のステアリング軸７には、操舵力を付加するものとしてコグドベルト１３を介して操舵アクチュエータとしての電動機１４の回転力が加えられるようになっている。
【００１０】
ＣＣＤカメラ２の信号は、付加操舵力設定手段としての制御ユニット１６に入力され、電動機１４の出力トルクを制御するための情報として用いられる。
【００１１】
カメラ２によって車両前方の路面を撮像すると、図３に示すように、道路両端の白線が映るので、画面上のある固定された複数のｙ座標に対してｘ方向に走査し、その白線を２本の点列ｌｐｉ〜ｌｐｌ、ｒｐｉ〜ｒｐｌとして認識する。この２本の点列に対する特徴点、つまり２本の点列間の中点の点列は次式で定義される。
【００１２】
【数１】
【００１３】
この特徴点は、前方道路形状に関連するスカラー値で定義すると次式のように表される。なお、式（２）中のａｉを変化させることでその車両の操縦性に関わる特性を変化させることができる。
【００１４】
【数２】
【００１５】
この特徴量を時間微分することにより、動的な走行レーンモデルは次式のように表される。
【００１６】
【数３】
【００１７】
このように複数個の特徴点を抽出し、そのＸ座標の特徴量を０に収束させるように車両の操舵角を制御することにより、自動的な車線追従制御を実現し得る。またこれによれば、車両の付近だけでなく遠方の道路情報も得られるので、前方の道路形状への対応の柔軟性の向上を企図し得る。
【００１８】
次に、車両モデルは、近似的に平面２自由度２輪モデル（図４参照）を用いると、次式のように表される。
【００１９】
【数４】
【００２０】
車両重心位置とカメラ２の取付位置とが一致していると見なすと次式（５）（６）が成り立つので、この式（５）（６）を用いて走行レーンモデルの式（３）と車両モデルの式（４）とを統合すると、車両の横方向運動制御のための自動操舵系モデルとして式（７）が得られる。
【００２１】
【数５】
【００２２】
【数６】
【００２３】
この式（７）は、道路形状の変化による特徴量の変化を未知外乱とし、未知外乱があっても特徴量を０に収束させるように前輪操舵角θＨを決定することを意味している。
【００２４】
さて、ここで式（７）において、車両重量ｍおよび／またはコーナリングパワーＫｆ・Ｋｒに不確かさがあったと仮定すると、この不確かさの数式モデルは次の式（８）（９）で表される。これはＬＦＴ表現では、図５に示すように表現できる。図５において、符号２２の部分は車重や前後輪のコーナリングパワーの不確かさ、つまり不明確な部分であり、符号２３の部分は、車両諸元の不確かさを考慮したモデルである。前輪操舵角θＨの入力で、道路形状の特徴量Ｘｓｕｍ、つまり車両が道路幅のどこにいるのかを出力する。
【００２５】
【数７】
【００２６】
車両諸元の不確かさを考慮した制御対象の数式モデルである式（８）（９）に基づいて制御仕様を設定した一般化プラントを図６に示す。なお、図６において、Ｗ１は道路形状の変化を表現する周波数重みであり、ν１、ν２は定数重みであり、入力は前輪操舵角θＨであり、観測量ｙは特徴量Ｘｓｕｍである。
【００２７】
図６の一般化プラントについて、特徴量の出力Ｘｓｕｍｓと前輪操舵角の入力θＨとをコントローラＫで結合した場合、制御系の設計は、外乱入力Ｗから評価出力Ｚまでの閉ループの伝達関数Ｔｚｗにおいて、次式のノルム条件を満たすコントローラＫとスーリング行列Ｄを見つける問題になる。
【００２８】
‖ＤＴＺＷＤ−１‖∞＜１
【００２９】
コントローラＫの設計は、ＭＡＴＬＡＢのμシンセシスツールボックスを用いて行い、その結果導出された１２次のコントローラを、実装を考慮して平衡実現により４次に低次元化した。
【００３０】
３０ｍ／ｓでの直進走行中に、前方の障害物を回避する操舵を運転者が行った後、本発明による車線追従制御装置で自動的に直進状態に復帰させることを想定して行ったシミュレーション結果を図７に示す。ここで不確かさの大きさを、０、１、１．５と変化させたところ、本発明を適用した車両重心点の軌跡の変化は図７（ａ）に示すように、図７（ｂ）に示した本発明を適用しないものに比し、不確かさの大きさの影響が小さく、且つ収束性もより向上していることが分かる。
【００３１】
【発明の効果】
このように本発明によれば、車両諸元に不確かさがある場合でも、車線追従性能を損なわずに済むので、車線追従制御装置の精度及び安定性を高める上に多大な効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による車線追従制御装置が適用される車両の構成図
【図２】ず１に示した車両に搭載される操舵装置の概略構成図
【図３】路面撮像画面の概念図
【図４】車両モデル図
【図５】不確かさのモデル図
【図６】本発明の一般化プラントのブロック図
【図７】シミュレーションによる車両の重心位置の軌跡線図
【符号の説明】
１ 車両
２ カメラ
１６ 制御ユニット
【発明の属する技術分野】
本発明は、車線追従制御装置に関し、車両重量やタイヤの接地特性の変化に対して安定性を損なわずに済むように改良された車線追従制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の知能化を向上し、運転者の負担を軽減するために、自動的に車線を追従する車線追従制御装置の研究が進められている（特開２００１−１３４３２０号公報など参照）。この車線追従システムは、車載カメラがとらえた路面上の白線の画像から現時点の走行環境を認識すると共に、車両状態量検出手段で現時点の走行状態を認識し、画像中の白線に対する自車位置および車両状態量をフィードバックして自動的な車線追従運動を達成するものである。
【０００３】
この車線追従制御には、車両の力学モデルが必要であり、車両車重、慣性モーメント、重心位置、車速、タイヤのコーナリングパワー等といった各種の物理パラメータを予め規定しておく必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、例えば乗車人員が変化すると車両重量が変化するとか、走行路面の状況に応じてタイヤの接地特性が変化するとかいった不確定要素が含まれるため、車両諸元の公称値に基づいて上記の物理パラメータを規定すると、実際の走行状態においては力学モデル通りの挙動とならないことがある。このような実際とモデルとの間の誤差が制御に介入することは、車線追従性能の劣化に繋がるので好ましいことではない。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、物理パラメータの変動が車線追従性能の劣化に繋がらずに済むように改良された車線追従制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明においては、走行中の道路形状を検出する道路形状検出手段と、前記道路形状検出手段の出力に基づいて走行レーンをモデリングする走行レーンモデル手段と、車両の運動状態量を検出する検出手段の出力と予め設定された車両諸元とに基づいて車両の操舵系をモデリングする車両モデル手段とを有し、前記走行レーンモデル手段と前記車両モデル手段の出力により、走行レーンを保持するように操舵装置を自動制御する車線追従制御装置であって、前記車両モデル手段を、制御入力θＨと外乱入力Ｗと制御出力と評価出力Ｚを有する制御モデルである一般化プラントとし、車輪のコーナリングパワーと車重を車両諸元の不確かさとし、当該不確かさを前記車両モデル手段の評価出力Ｚに基づいて所定幅範囲内の外乱入力Ｗに変換し、当該外乱入力Ｗを前記車両モデル手段に入力した制御対象モデルに基づく制御により、走行レーンを保持するように操舵装置を自動制御することを特徴とする車線追従制御装置を提供せんとするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【０００８】
図１は、本発明に基づく車線追従制御装置が適用された車両の全体的構成を示している。図１において、車両１の運転席の上方のルーフ下面には、車両前方の道路を単眼視し、その画像を処理することによって走行車線を抽出し、その画像データから車線内に於ける自車の位置並びに方向を判別するためのＣＣＤカメラ２が取り付けられている。
【０００９】
図２に併せて示すように、本発明が適用される操舵装置は、運転者が操舵するためのステアリングホイール６と、ステアリングホイール６に直結されたステアリング軸７と、ステアリング軸７の軸端に設けられたピニオン８と、これに噛合してピニオン８（即ちステアリングホイール６）の回転運動を直線運動に変換するためのラックギア９が設けられたラック軸１０と、ラック軸１０にタイロッド（図示せず）を介して連結されたナックルアーム１１と、ナックルアーム１１が固設されたハブキャリア（図示せず）に支持された前輪１２とからなっている。また、本操舵装置のステアリング軸７には、操舵力を付加するものとしてコグドベルト１３を介して操舵アクチュエータとしての電動機１４の回転力が加えられるようになっている。
【００１０】
ＣＣＤカメラ２の信号は、付加操舵力設定手段としての制御ユニット１６に入力され、電動機１４の出力トルクを制御するための情報として用いられる。
【００１１】
カメラ２によって車両前方の路面を撮像すると、図３に示すように、道路両端の白線が映るので、画面上のある固定された複数のｙ座標に対してｘ方向に走査し、その白線を２本の点列ｌｐｉ〜ｌｐｌ、ｒｐｉ〜ｒｐｌとして認識する。この２本の点列に対する特徴点、つまり２本の点列間の中点の点列は次式で定義される。
【００１２】
【数１】
この特徴点は、前方道路形状に関連するスカラー値で定義すると次式のように表される。なお、式（２）中のａｉを変化させることでその車両の操縦性に関わる特性を変化させることができる。
【００１４】
【数２】
この特徴量を時間微分することにより、動的な走行レーンモデルは次式のように表される。
【００１６】
【数３】
このように複数個の特徴点を抽出し、そのＸ座標の特徴量を０に収束させるように車両の操舵角を制御することにより、自動的な車線追従制御を実現し得る。またこれによれば、車両の付近だけでなく遠方の道路情報も得られるので、前方の道路形状への対応の柔軟性の向上を企図し得る。
【００１８】
次に、車両モデルは、近似的に平面２自由度２輪モデル（図４参照）を用いると、次式のように表される。
【００１９】
【数４】
車両重心位置とカメラ２の取付位置とが一致していると見なすと次式（５）（６）が成り立つので、この式（５）（６）を用いて走行レーンモデルの式（３）と車両モデルの式（４）とを統合すると、車両の横方向運動制御のための自動操舵系モデルとして式（７）が得られる。
【００２１】
【数５】
【数６】
この式（７）は、道路形状の変化による特徴量の変化を未知外乱とし、未知外乱があっても特徴量を０に収束させるように前輪操舵角θＨを決定することを意味している。
【００２４】
さて、ここで式（７）において、車両重量ｍおよび／またはコーナリングパワーＫｆ・Ｋｒに不確かさがあったと仮定すると、この不確かさの数式モデルは次の式（８）（９）で表される。これはＬＦＴ表現では、図５に示すように表現できる。図５において、符号２２の部分は車重や前後輪のコーナリングパワーの不確かさ、つまり不明確な部分であり、符号２３の部分は、車両諸元の不確かさを考慮したモデルである。前輪操舵角θＨの入力で、道路形状の特徴量Ｘｓｕｍ、つまり車両が道路幅のどこにいるのかを出力する。
【００２５】
【数７】
車両諸元の不確かさを考慮した制御対象の数式モデルである式（８）（９）に基づいて制御仕様を設定した一般化プラントを図６に示す。なお、図６において、Ｗ１は道路形状の変化を表現する周波数重みであり、ν１、ν２は定数重みであり、入力は前輪操舵角θＨであり、観測量ｙは特徴量Ｘｓｕｍである。
【００２７】
図６の一般化プラントについて、特徴量の出力Ｘｓｕｍｓと前輪操舵角の入力θＨとをコントローラＫで結合した場合、制御系の設計は、外乱入力Ｗから評価出力Ｚまでの閉ループの伝達関数Ｔｚｗにおいて、次式のノルム条件を満たすコントローラＫとスーリング行列Ｄを見つける問題になる。
【００２８】
‖ＤＴＺＷＤ−１‖∞＜１
【００２９】
コントローラＫの設計は、ＭＡＴＬＡＢのμシンセシスツールボックスを用いて行い、その結果導出された１２次のコントローラを、実装を考慮して平衡実現により４次に低次元化した。
【００３０】
３０ｍ／ｓでの直進走行中に、前方の障害物を回避する操舵を運転者が行った後、本発明による車線追従制御装置で自動的に直進状態に復帰させることを想定して行ったシミュレーション結果を図７に示す。ここで不確かさの大きさを、０、１、１．５と変化させたところ、本発明を適用した車両重心点の軌跡の変化は図７（ａ）に示すように、図７（ｂ）に示した本発明を適用しないものに比し、不確かさの大きさの影響が小さく、且つ収束性もより向上していることが分かる。
【００３１】
【発明の効果】
このように本発明によれば、車両諸元に不確かさがある場合でも、車線追従性能を損なわずに済むので、車線追従制御装置の精度及び安定性を高める上に多大な効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による車線追従制御装置が適用される車両の構成図
【図２】ず１に示した車両に搭載される操舵装置の概略構成図
【図３】路面撮像画面の概念図
【図４】車両モデル図
【図５】不確かさのモデル図
【図６】本発明の一般化プラントのブロック図
【図７】シミュレーションによる車両の重心位置の軌跡線図
【符号の説明】
１ 車両
２ カメラ
１６ 制御ユニット
Claims (1)
- 走行中の道路形状を検出する道路形状検出手段と、前記道路形状検出手段の出力に基づいて走行レーンをモデリングする走行レーンモデル手段と、車両の運動状態量を検出する検出手段の出力と予め設定された車両諸元とに基づいて車両の操舵系をモデリングする車両モデル手段とを有し、前記走行レーンモデル手段と前記車両モデル手段の出力により、走行レーンを保持するように操舵装置を自動制御する車線追従制御装置であって、
前記車両モデル手段を、制御入力θＨと外乱入力Ｗと制御出力と評価出力Ｚを有する制御モデルである一般化プラントとし、車輪のコーナリングパワーと車重を車両諸元の不確かさとし、当該不確かさを前記車両モデル手段の評価出力Ｚに基づいて所定幅範囲の外乱入力Ｗに変換し、当該外乱入力Ｗを前記車両モデル手段に入力した制御対象モデルに基づく制御により、走行レーンを保持するように操舵装置を自動制御することを特徴とする車線追従制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001330791A JP4050492B2 (ja) | 2001-10-29 | 2001-10-29 | 車線追従制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001330791A JP4050492B2 (ja) | 2001-10-29 | 2001-10-29 | 車線追従制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003138954A JP2003138954A (ja) | 2003-05-14 |
| JP4050492B2 true JP4050492B2 (ja) | 2008-02-20 |
Family
ID=19146463
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001330791A Expired - Fee Related JP4050492B2 (ja) | 2001-10-29 | 2001-10-29 | 車線追従制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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| FR3082162B1 (fr) * | 2018-06-11 | 2020-06-05 | Renault S.A.S | Procede et dispositif de mise au point d'une boucle fermee d'un dispositif d'aide a la conduite avance |
| CN111873991B (zh) * | 2020-07-22 | 2022-04-08 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种车辆转向的控制方法、装置、终端及存储介质 |
-
2001
- 2001-10-29 JP JP2001330791A patent/JP4050492B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
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