JP4369404B2 - 車両用操舵制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、車両用操舵制御装置に関する。

ＣＣＤカメラなどの撮像手段で撮像した進行方向前方の画像から走行路を規定する白線を検出し、操舵アシストトルクを制御して走行路に沿って走行させる車両用操舵制御装置が提案されている。かかる車両用操舵制御装置にあっては、走行路の前方注視点における目標位置と自車の予測到達点との偏差を求めると共に、走行路の曲率などの形状に関する情報を求め、それらから操舵アシストトルクを決定している。

自車の予測到達点を求める手法として、画像から得た、現在位置での走行路に対する自車の偏向角（ヘディングアングル）情報から推測する、いわゆる一次予測手法と、ヨーレート情報から推測する、いわゆる二次予測手法が広く用いられている。後者を用いた例として、本出願人が、先に提案した特許文献１記載の技術を挙げることができる。
特開平５−１９７４２３号公報

しかしながら、画像から得られる走行路情報は自車からの離間距離が大きくなるほど、即ち、遠方になるほど誤差が増大し、また誤差は、搭載車両のピッチング、ローリングなどの姿勢変化、あるいは走行路の凹凸、うねりなどによってさらに増大する。

従って、予見時間後の予測車両到達点と画像から得た走行路情報との偏差をフィードバックするとき、画像誤差があると、その影響を大きく受け、演算される操舵アシストトルクが不適正となって制御精度の低下を招く場合があった。

またヨーレート情報から車両到達点を推測する二次予測手法を用いる場合は車両に搭載したヨーレートセンサからヨーレートを検出することになるが、ヨーレートセンサ出力がオフセットあるいはドリフトなどに起因する誤差を含むことから、ヨーレートセンサ出力から得られる車両到達点にも誤差が生じ、同様の問題を生じていた。

従って、この発明の目的は、上記した不都合を解消し、走行路に沿って車両を走行させる操舵アシストトルクを演算するときも、適正な操舵アシストトルクの演算を可能にして制御精度を向上させるようにした車両用操舵制御装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１項にあっては、車両の操舵車輪を転舵するアクチュエータを備えた車両用操舵制御装置において、車両前方を撮像する撮像手段、前記撮像手段により得られた画像情報に基づいて走行路を検出する走行路検出手段、前記検出された走行路の形状に関連する形状パラメータを求め、前記求めた形状パラメータから所定の特性に基づいて基本操舵アシストトルクを演算する基本操舵アシストトルク演算手段、前記画像情報に基づいて前記走行路の基準線からの前記車両の車幅方向の横ずれ量と前記走行路に対する前記車両の偏向角を求め、前記求めた横ずれ量と偏向角に基づいて補正操舵アシストトルクを演算する補正操舵アシストトルク演算手段、前記演算された基本操舵アシストトルクと補正操舵アシストトルクから前記検出された走行路に沿って前記車両を走行させるための出力操舵アシストトルクを演算し、前記演算された出力操舵アシストトルクに基づいて前記アクチュエータの操作量を演算するアクチュエータ操作量演算手段、および前記演算された操作量に基づいて前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動手段を備えると共に、前記補正操舵アシストトルク演算手段は、前記偏向角の微分値を算出し、前記算出した微分値にフィードバック補正係数を乗じて前記補正操舵アシストトルクを演算する如く構成した。

請求項１項にあっては、検出された走行路の形状に関連する形状パラメータおよび、走行路に対する車両の現在位置に関連する現在位置パラメータ、換言すれば、検出精度の高い、車両が現在位置する地付近についてのパラメータ、具体的には、走行路の基準線からの車両の車幅方向の横ずれ量と走行路に対する車両の偏向角を用いると共に、ヨーレートを用いることがないので、走行路に沿って車両を走行させる操舵アシストトルクを演算するときも、適正な操舵アシストトルクの演算を可能にして制御精度を向上させることができる。

また、偏向角の微分値を算出し、算出した微分値にフィードバック補正係数を乗じて補正操舵アシストトルクを演算することで、位相を進めることができて制御の安定性を向上させることができる。

以下、添付図面に即してこの発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１はこの出願に係る車両用操舵制御装置を全体的に示す概略図であり、図２はその装置を操舵系に焦点をおいて示す同様の説明図である。

以下、図１および図２を併せて参照して説明すると、車両１０において運転席１２に配置されたステアリングホイール１４は、ステアリングシャフト１６に連結され、ステアリングシャフト１６はユニバーサルジョイント１８，２０を介してコネクティングシャフト２２に連結される。

コネクティングシャフト２２は、ラック・ピニオン型ステアリングギア２４のピニオン２６に連結される。ピニオン２６はラック２８に噛み合っており、よってステアリングホイール１４から入力された回転運動はピニオン２６を介してラック２８の往復運動に変換され、フロントアクスルの両端に配置されたタイロッド（ステアリングロッド）３０およびキングピン（図示せず）を介して２個の前輪（操舵車輪）３２を所望の方向に転舵させる。

ラック２８上には同軸に電動モータ３８およびボールねじ機構４０が配置され、モータ出力はボールねじ機構４０を介してラック２８の往復運動に変換され、ステアリングホイール１４を介して入力された操舵力（操舵トルク）を減少させる方向にラック２８を駆動する。

ここで、ステアリングギア２４の付近にはトルクセンサ４２が設けられ、運転者が入力した操舵力（操舵トルク）τｈの方向と大きさに応じた信号を出力する。また、ステアリングシャフト１６の付近にはロータリエンコーダなどからなる舵角センサ４４が設けられ、運転者が入力した操舵角度（舵角。より詳しくは前輪舵角）θｈの方向と大きさに応じた信号を出力する。

２個の前輪３２の付近にはそれぞれ電磁ピックアップなどからなる車輪速センサ４６が配置されて前輪１回転ごとに信号を出力すると共に、２個の後輪４８の付近にも同種構造の車輪速センサ５０がそれぞれ配置されて後輪１回転ごとに信号を出力する（図１で左側の後輪についてのみ示す）。尚、車両１０においては内燃機関（図示せず）は前輪側に配置されており、前輪３２を駆動輪、後輪４８を従動輪とする。

また、２個の前輪３２および２個の後輪のサスペンション機構（図示せず）の付近には車高センサ５２，５４がそれぞれ設けられ、前後輪のサスペンションのストローク（変位）を通じてその部位の車両１０の高さに応じた信号を出力する。

図１に示す如く、運転席１２の上部には、フロントウインドウ６０の内面にルームミラー６２と組み合わされてＣＣＤカメラ（撮像手段）６４が１基、取りつけられる。

ＣＣＤカメラ６４は車両進行方向道路を単眼視し、撮像信号を出力する。ＣＣＤカメラ６４の出力は、図２に示す如く、マイクロコンピュータからなる画像処理ＥＣＵ（走行路検出手段）６６に送られ、走行路のレーン（車線）の区分線（白線）が抽出される。

また、車両１０のフロントバンパの付近の適宜位置にはレーザレーダ６８が設けられる。レーザレーダ６８は送光ビームを車両進行方向に送出すると共に、左右（車幅）方向に掃引させて所定範囲をスキャンし、前方に固形物、例えば先行車などの障害物が存在するときにそのリフレクタで反射された送光ビームの反射光を受光する。

レーザレーダ６８はマイクロコンピュータからなるレーダ出力処理ＥＣＵ７０に接続され、そこで送光ビームの送出から反射光の受光までの時間差に基づいて先行車などの障害物（反射体）までの距離が算出されると共に、反射光を受光したときの送光ビームの送出方向に基づいて障害物を検出する。

この出願に係る車両用操舵制御装置は、同様にマイクロコンピュータからなる第１の電子制御ユニット（「ＳＡＳ ＥＣＵ」と示す）７４を備え、画像処理ＥＣＵ６６および前記したトルクセンサ４２の出力などはＳＡＳ ＥＣＵ７４に入力される。

また、この装置は第２の電子制御ユニット（「ＥＰＳ ＥＣＵ」と示す）７６を備える。前記したトルクセンサ４２および車輪速センサ４６の出力はＥＰＳ
ＥＣＵ７６にも入力される。

ＳＡＳ ＥＣＵ７４とＥＰＳ ＥＣＵ７６は信号線７８を介して相互に通信可能に接続される。ＳＡＳ ＥＣＵ７４は後述の如く、レーンキーピング用（走行路に沿って走行させるための）操舵アシストトルク（出力操舵アシストトルクＴＬ）を演算し、ＥＰＳ ＥＣＵ７６に送信する。

ＥＰＳ ＥＣＵ７６は運転者により入力された操舵トルクτｈが検出されるときはそれに応じてパワーステアリング用の操舵アシストトルクを演算し、演算したパワーステアリング用の操舵アシストトルクで出力操舵アシストトルクＴＬを修正し、演算あるいは修正したＴＬから操作量（電動モータ３８の制御電流）を決定する。

ＥＰＳ ＥＣＵ７６には、モータ駆動回路８０が接続される。モータ駆動回路８０は４個のパワーＦＥＴスイッチング素子からなる公知のブリッジ回路（図示せず）を備え、ＦＥＴスイッチング素子のオン・オフによって電動モータ３８が正転あるいは逆転する。

ＥＰＳ ＥＣＵ７６は、モータ制御電流をデューティ比（ＰＷＭによるデューティ比）で決定し、モータ駆動回路８０に出力する。より具体的には、ＥＰＳ ＥＣＵ７６は、ＦＥＴスイッチング素子をデューティ比制御してモータ通電電流を制御し、電動モータ３８を駆動制御する。

図１の説明に戻ると、車両１０の重心位置付近にはヨーレートセンサ８２が配置され、車両重心の鉛直（重力）軸回りのヨーレート（回転角速度）に応じた信号を出力する。また、ダッシュボード付近には警報装置８４が設けられ、音声あるいは視覚で運転者に警報を報知すると共に、ナビゲーション装置８８が配置される（図１で図示省略）。

さらに、運転席１２の床面のブレーキペダル（図示せず）にはブレーキセンサ９０が設けられ、運転者のブレーキペダルの踏み込みに応じた信号を出力すると共に、アクセルペダル（図示せず）にはアクセルセンサ９２が設けられ、運転者のアクセルペダルの踏み込みに応じた信号を出力する。

図３はこの実施例に係る車両用操舵制御装置の動作を示すブロック図である。尚、図３に示す動作は、前記したＳＡＳ ＥＣＵ７４とＥＰＳ ＥＣＵ７６、より詳しくはＳＡＳ ＥＣＵ７４が主として行う処理である。

以下説明すると、先ず、画像処理ＥＣＵ６６で検出された走行路のレーン（車線）の区分線（白線）に基づき、走行路の曲率（走行路の形状に関連する形状パラメータ）１／Ｒが演算される。即ち、図４に示す画像情報において走行路のレーン中心（基準）線ｙｃの旋回半径Ｒが幾何学的に求められ、その逆数を求めることで曲率１／Ｒが演算される。

同様に、画像処理ＥＣＵ６６で検出された画像情報に基づき、走行路における車両１０の位置ｙが検出されると共に、走行路に対する車両１０の位置に関連する位置パラメータ（車両１０の横ずれ量ｙｄと車両１０の偏向角θｈ）が演算される。

図４を参照して説明すると、位置パラメータは、画像処理ＥＣＵ６６のメモリ上に、ＣＣＤカメラ６４の撮像信号から構成される、絶対座標系の走行路位置情報と、その上に重ねられる車両１０の位置情報を用いて算出される。図４において、Ｘ−Ｙ座標が絶対座標系を、ｘ−ｙ座標が相対座標系を示す。

より詳しくは、車両１０を原点にとり、車両進行方向をｘ軸、それに直交する方向をｙ軸とする相対座標系において、車両１０の横ずれ量ｙｄは、レーン中心線ｙｃとｙ軸が交差する点と、車両１０までの横方向（車幅方向）の離間距離とする。

また、車両偏向角θｈは、レーン中心線ｙｃ上の点で車両１０に最も近い点での接線ａと、相対座標系のｘ軸とがなす角度とする。尚、接線ａが絶対座標系のＹ軸に対してなす角度を走行路角度θとする。

上記から明らかな如く、演算される位置パラメータ（横ずれ量ｙｄ、車両偏向角θｈ）は、全て車両１０が現在位置する地付近における値であり、換言すれば、従来技術におけるような車両１０から遠く離間した位置での値ではない。走行路の曲率１／Ｒについても同様である。

尚、図３において横ずれ量ｙｄは、検出値（車両位置ｙ）と目標値（走行路の（レーン）中心線ｙｃ）の偏差として算出されると共に、車両偏向角θｈは、検出値（車両位置ｙの微分値（ラプラス演算子ｓで示す）を検出車速Ｖで除算して得た値、即ち、角度相当値）と目標値（走行路角度θ）の偏差として算出されるように図示されている。

しかしながら、横ずれ量ｙｄと車両偏向角θｈも、曲率１／Ｒ（形状パラメータ）と同様に、図４から明らかな如く、実際には、画像情報に基づいて幾何学的に演算される。従って、図３に示す算出は、理解の便宜のためである。

図３の説明に戻ると、求められた走行路の曲率１／ＲはＦ／Ｆ（フィードフォワード）コントローラ７４ａ（前記したＳＡＳ ＥＣＵ７４の機能の一つをこのコントローラで示す）に入力され、そこで、入力された走行路の曲率１／Ｒから所定の特性に従って基本操舵アシストトルクＴＬＭが算出される。

同様に、演算された横ずれ量ｙｄと車両偏向角θｈ（位置パラメータ）に基づいて補正操舵アシストトルクＴＬｎ（ｎ：１から３）が算出され、基本操舵アシストトルクＴＬＭに加算段で加算される。

より具体的には、求められた横ずれ量ｙｄに第１のゲイン（フィードバック補正係数）Ｋａが乗じられて第１の補正操舵アシストトルクＴＬ１が算出されると共に、車両偏向角θｈに第２のゲイン（フィードバック補正係数）Ｋｂが乗じられて第２の補正操舵アシストトルクＴＬ２が算出される。

さらに、車両偏向角θｈの微分値（ラプラス演算子ｓで示す）に第３のゲイン（フィードバック補正係数）Ｋｃが乗じられて第３の補正操舵アシストトルクＴＬ３が算出される。

上記で、基本操舵アシストトルクＴＬＭは、車両１０のコーナリング力に釣り合わさせるためのアシストトルクであり、３種の補正操舵アシストトルクＴＬｎは、車両１０を走行路中心線ｙｃに沿って走行させるため、あるいは車両１０の安定性確保のためのアシストトルクである。尚、車両偏向角θｈの微分値から演算される第３の補正操舵アシストトルクＴＬ３は、制御安定性向上のためのアシストトルクである。

基本操舵アシストトルクＴＬＭと補正操舵アシストトルクＴＬｎは加算され、車両１０を走行路のレーン、より具体的にはレーン中心線ｙｃに沿って走行させるための出力操舵アシストトルクＴＬが演算される。

出力操舵アシストトルクＴＬは位相補償器７４ｂで位相補償（より詳しくは遅れ進み補償）され、ＳＡＳ ＥＣＵ７４からＥＰＳ ＥＣＵ７６に送られる。

前記した如く、ＥＰＳ ＥＣＵ７６は、出力操舵アシストトルクＴＬから、あるいは操舵トルクτｈが検出されるときはそれに応じてパワーステアリング用の操舵アシストトルクを演算して出力操舵アシストトルクＴＬを修正し、修正した出力操舵アシストトルクＴＬから操作量（電動モータ制御デューティ値）を演算し、電動モータ３８を駆動制御し、操舵輪（前輪）３２を転舵する。

図５は、前記した従来技術に係る二次予測手法を用いたときの操作量を決定する偏差ｅの幾何学的な関係を示す説明グラフである。

二次予測手法を用いるとき、レーン中心線上の車両１０から遠く離間した位置における目標値との偏差ｅが演算され、それに基づいて操舵アシストトルクが演算される。先に述べたように、遠く離間した位置で偏差が求められることに起因して誤差が生じると共に、それにヨーレートセンサ値による誤差も加わることから、従来技術においては必ずしも操舵アシストトルクを適正に演算することができない場合が生じる。

それに対し、この実施例に係る車両用操舵制御装置においては、画像情報を用いるにしても、遠く離間した位置での値ではなく、現在位置付近での値、即ち、検出精度の高い部分の情報を用いるため、誤差が少ない。また、従来技術のような前方注視点を使用しないので、ヨーレートセンサ出力に基づいて車両到達点を予測する必要がなく、ヨーレートセンサの誤差の影響を受けることもないので、その意味でも操舵アシストトルクを適正に演算することができ、制御精度を向上させることができる。

上記の如く、この実施例においては、車両１０の操舵車輪（前輪３２）を転舵するアクチュエータ（電動モータ３８）を備えた車両用操舵制御装置において、車両前方を撮像する撮像手段（ＣＣＤカメラ６４）、前記撮像手段により得られた画像情報に基づいて走行路を検出する走行路検出手段（画像処理ＥＣＵ６６）、前記検出された走行路の形状に関連する形状パラメータ、より具体的には曲率１／Ｒ）を求め、前記求めた形状パラメータから所定の特性に基づいて基本操舵アシストトルクＴＬＭを演算する基本操舵アシストトルク演算手段（ＳＡＳ ＥＣＵ７４，Ｆ／Ｆコントローラ７４ａ）、前記画像情報に基づいて前記走行路の基準線（レーン中心線ｙｃ）からの前記車両の車幅方向の横ずれ量ｙｄと前記走行路に対する前記車両の偏向角θｈを求め、前記求めた横ずれ量ｙｄと偏向角θｈに基づいて補正操舵アシストトルクＴＬｎを演算する補正操舵アシストトルク演算手段（ＳＡＳ ＥＣＵ７４）、前記演算された基本操舵アシストトルクと補正操舵アシストトルクから前記検出された走行路に沿って前記車両を走行させるための出力操舵アシストトルクＴＬを演算し、前記演算された出力操舵アシストトルクに基づいて前記アクチュエータの操作量を演算するアクチュエータ操作量演算手段（ＥＰＳ ＥＣＵ７６）、および前記演算された操作量に基づいて前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動手段（モータ駆動回路８０）を備えると共に、前記補正操舵アシストトルク演算手段は、前記偏向角の微分値を算出し、前記算出した微分値にフィードバック補正係数Ｋｃを乗じて前記補正操舵アシストトルクＴＬ３を演算するように構成した。

尚、上記において、走行路の形状に関連するパラメータとして走行路の曲率を用いたが、旋回半径であっても良い。位置パラメータについても横ずれ量ｙｄおよび車両偏向角θｈは例示である。

さらに、車両の横ずれ量をレーン中心線ｙｃからの離間距離として求めたが、白線など任意な位置からの離間距離であっても良い。

さらに、基本操舵アシストトルクＴＬＭと補正操舵アシストトルクＴＬｎを加算して出力操舵アシストトルクＴＬを演算したが、補正操舵アシストトルクＴＬｎを示す係数を演算し、基本操舵アシストトルクＴＬＭに乗算して出力操舵アシストトルクＴＬを演算してもよい。

さらに、ＥＰＳ ＥＣＵ７６がパワーステアリング用の操舵アシストトルクを演算するようにしたが、ＳＡＳ ＥＣＵ７４が行っても良い。

図１はこの発明に係る車両用操舵制御装置の全体を示す概略図である。 図１の装置を操舵系に焦点をおいて示す、図１と同様の全体概略図である。 図１の装置の動作を示すブロック図である。 図３ブロック図で使用するパラメータの算出を示す説明グラフである。 従来技術で使用するパラメータの算出を示す説明グラフである。

符号の説明

１０ 車両、３２ 前輪（操舵車輪）、３８ 電動モータ（アクチュエータ）、４４ 舵角センサ、４６，５０ 車輪速センサ、６４ ＣＣＤカメラ（撮像手段）、６６ 画像処理ＥＣＵ（走行路検出手段）、７４ 第１の電子制御ユニット（ＳＡＳ ＥＣＵ）、７６ 第２の電子制御ユニット（ＥＰＳ ＥＣＵ）、８０ モータ駆動回路

Claims (1)

1. 車両の操舵車輪を転舵するアクチュエータを備えた車両用操舵制御装置において、
   ａ．車両前方を撮像する撮像手段、
   ｂ．前記撮像手段により得られた画像情報に基づいて走行路を検出する走行路検出手段、
   ｃ．前記検出された走行路の形状に関連する形状パラメータを求め、前記求めた形状パラメータから所定の特性に基づいて基本操舵アシストトルクを演算する基本操舵アシストトルク演算手段、
   ｄ．前記画像情報に基づいて前記走行路の基準線からの前記車両の車幅方向の横ずれ量と前記走行路に対する前記車両の偏向角を求め、前記求めた横ずれ量と偏向角に基づいて補正操舵アシストトルクを演算する補正操舵アシストトルク演算手段、
   ｅ．前記演算された基本操舵アシストトルクと補正操舵アシストトルクから前記検出された走行路に沿って前記車両を走行させるための出力操舵アシストトルクを演算し、前記演算された出力操舵アシストトルクに基づいて前記アクチュエータの操作量を演算するアクチュエータ操作量演算手段、
   および
   ｆ．前記演算された操作量に基づいて前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動手段、
   を備えると共に、前記補正操舵アシストトルク演算手段は、前記偏向角の微分値を算出し、前記算出した微分値にフィードバック補正係数を乗じて前記補正操舵アシストトルクを演算することを特徴とする車両用操舵制御装置。

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