JP4923563B2 - 操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、走行レーンに沿った走行を支援するため、適切な操舵トルクを付与する操舵装置に関する。

車両前方をカメラなどで撮像し、撮像した画像や映像に基づいて車両の走行経路を検出し、車両が走行経路を逸脱しないように運転を支援する運転支援装置が知られており、市販車への搭載も始まっている。このような運転支援装置はレーンキープ（アシスト）システムなどと呼ばれている。このような運転支援を行うものとして、特開２００１−１９２３号公報（特許文献１）に開示された車両の操舵装置がある。

この操舵装置は、車両挙動に影響を及ぼす外乱発生の有無を判断し、この外乱の影響に応じて操舵トルクの修正を行うというものである。
特開２００１−１９２３号公報

ところで、レーンキープを行うにあたり、走行レーンに沿って操舵機構に操舵トルクを付与する場合に、走行レーンからの偏差を積算する積分器を利用することが考えられる。このような積分器を利用する場合、自車両が走行レーンからオフセットした位置で走行を続けると、オフセット量に応じて積分値が蓄積され、蓄積されたオフセット量に応じた操舵制御が行われる。操舵制御が行われると、ドライバに対して操舵制御による反力が発生し、ステアリングを握るドライバに伝達される。ここで、走行レーンからのオフセット量が大きい場合には、操舵制御による反力が大きい場合でもドライバは違和感なく反力を受け入れることができる。ところが、走行レーンからのオフセット量が小さい場合、このオフセット量が積分されて大きな反力がドライバに伝達されると、ドライバに違和感を与えることが考えられる。

このような問題に対して、上記特許文献１に開示された操舵装置では、オフセットした位置での走行は外乱ではないことから、このオフセット量に応じた制御を行うことができない。したがって、ドライバに対して発生する反力の影響を排除することができず、過大な反力によってドライバに違和感を与えてしまうという問題があった。

そこで、本発明の課題は、自車両が走行路から小さくオフセットした位置を走行した場合にも、操舵制御によるドライバに対する過大な反力の発生を防止することができる操舵装置を提供することにある。

上記課題を解決した本発明に係る操舵装置は、自車両の走行路を検出する走行路検出手段を備え、走行路検出手段で検出された走行路に沿って自車両が走行するように、操舵機構に操舵を付与する操舵装置において、走行路に設定された所定位置に対する自車両の偏差を積分する積分手段と、積分手段で積分された偏差の積分値に基づいて、操舵機構に付与する付与操舵を設定する付与操舵設定手段と、を備え、積分手段は、偏差を積分するに当たり、所定位置からの偏差が予め設定されたしきい値よりも大きい場合に、偏差からしきい値を減じた値の積分を行うものである。

本発明に係る操舵装置においては、走行路に設定された所定位置に対する自車両の偏差を積分し、この偏差の積分値に基づいて、操舵機構に付与する付与操舵を設定している。ここで、偏差を積分するに当たり、所定位置からの偏差が予め設定されたしきい値よりも大きい場合に、偏差の積分を行うようにしている。このため、予め設定されたしきい値以下の場合には、偏差の積分が行われず、いわば不感帯が設定された状況となっている。この不感帯が設定されていることにより、走行路に対する自車両の偏差が小さい場合には、偏差の積分が行われないので、自車両が走行路からオフセットした位置を走行した場合にも、操舵制御によるドライバに対する過大な反力の発生を防止することができる。

ここで、しきい値は、自車両の車速が大きいときには、自車両の車速が小さいときよりも大きく設定されている態様とすることができる。

自車両の車速が大きいときにドライバが感じる操舵制御の反力は、車速が小さいときよりも大きなものとなる。このため、しきい値は、自車両の車速が大きいときには、自車両の車速が小さいときよりも大きく設定されている態様とすることにより、操舵制御によるドライバに対する過大な反力の発生をさらに好適に防止することができる。

本発明に係る操舵装置によれば、自車両が走行路から小さくオフセットした位置を走行した場合にも、操舵制御によるドライバに対する過大な反力の発生を防止することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。まず、本発明の実施形態に係る操舵装置を備えた車両の構成について、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は本実施形態の操舵装置のブロック構成図、図２は車両に搭載されている画像部により走行車線の画像データが取得される状況を説明するための図、図３は車両が走行車線を走行する際の各種道路パラメータおよび走行パラメータを説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態の操舵装置を備えた車両（自車両）１は、電子制御ユニット（ＥＣＵ：ElectricalControl Unit）２を備えており、ＥＣＵ２によって車両挙動制御（車線維持制御）が実行される。ＥＣＵ２は、後に説明するトルク演算器２２、不感帯設定手段２３、および積分手段２４を備えており、本発明の付与操舵設定手段および積分手段を構成する。車両１は、ステアリングホイール３を備えている。ステアリングホイール３は、車両１の車室内に配設されており、運転者によって操作されることで転舵輪（ここでは左右前輪ＦＲ，ＦＬ）を転舵させる。ステアリングホイール３は、ステアリングシャフト４の一端に固定されている。ステアリングシャフト４は、ステアリングホイール３の回転に伴って回転する。

ステアリングシャフト４の他端には、ステアリングギヤボックス５を介してラックバー６が連結されている。ステアリングギヤボックス５は、ステアリングシャフト４の回転運動をラックバー６の軸方向への直進運動に変換する機能を有している。ラックバー６の両端は、ナックルアーム７を介して車輪ＦＬ，ＦＲの各ハブキャリアに連結されている。このように構成されているため、車輪ＦＬ，ＦＲは、ステアリングホイール３が回転されると、ステアリングシャフト４やステアリングギヤボックス５（ラックバー６）を介して転舵される。

また、図２に示すように、前方を撮像するＣＣＤカメラ８が、ルームミラーに内蔵されている。ＣＣＤカメラ８は、車両１のフロントウィンドウ３０越しに前方の所定領域内の周辺状況を撮影する。具体的には、道路５０の車両１が走行している走行レーン５１の周囲の状況の動画像を撮影する。このＣＣＤカメラ８には、画像処理部９が接続されている。ＣＣＤカメラ８が撮影した周辺状況の画像データは、画像処理部９に供給される。画像処理部９は、ＣＣＤカメラ８による画像データを画像処理し、車両１が走行する道路上に描かれた道路区画線（以下、「白線」と称する。）などを基に走行レーン（走行経路＝車線）を検出する。撮像した画像や映像内では、路面とその上に描かれた白線との輝度差が大きいことから、走行レーンを区画する白線はエッジ検出等によって比較的検出しやすく、車両前方の車線を検出するのに都合がいい。ＣＣＤカメラ８は、車両の走行路を検出する走行路検出手段として機能する。

画像処理部９は、上述したＥＣＵ２に接続されている。画像処理部９は、検出した車線に基づいて、図３に示されるように、前方走行経路のカーブ曲率（χ＝１／Ｒ）や、車線に対する車両１のオフセット距離Ｄおよびヨー角θを演算によって検出し、結果をＥＣＵ２に送出する。

ここで、オフセット距離Ｄは、車両の前後方向の中心軸１ａと走行レーン５１の中心線５１ｃの車両重心位置における接線５１ａとの横ずれ量に相当し、本発明の所定位置に対する自車両の偏差を意味する。このように、本実施形態では、所定位置が走行レーン５１の中心線５１ｃに設定されるが、所定位置は走行レーンによって特定される位置であれば中心線ではなく、たとえば外縁線などとすることもできる。また、ヨー角は、車両の前後方向の中心軸１ａと走行レーン５１の中心線５１ｃの車両重心位置における接線５１ａとのなす角度に相当する。

なお、カーブ曲率、オフセット距離Ｄ、ヨー角θはいずれも正負いずれの値も取ることがあり、符号は方向、向きを示す。画像に基づいて、前方走行経路の各種情報量（カーブ曲率χや自車のオフセット距離Ｄ・ヨー角θ）を検出する方法は、公知の方法を用いることができる。

ＥＣＵ２には、舵角センサ１０および車速センサ１１も接続されている。舵角センサ１０は、ステアリングホイール３の操舵角に応じた信号を出力する。また、車速センサ１１は、各車輪に取り付けられた車輪速センサであり車両１の速度に応じた周期でパルス信号を発生する。車速センサ１１は、車速検出手段として機能している。なお、車速検出手段として車体前後加速度を検出するセンサを取り付け、この出力を時間積分することで車速を得るようにすることも可能である。舵角センサ１０の出力信号および車速センサ１１の出力信号は、それぞれＥＣＵ２に供給されている。ＥＣＵ２は、舵角センサ１０の出力信号に基づいてステア角を検出するとともに、車速センサ１１の出力信号に基づいて車速を検出する。

また、ＥＣＵ２には、ヨーレートセンサ１２やナビゲーションシステム１３も接続されている。ヨーレートセンサ１２は、車両１の重心近傍に配置され、重心鉛直軸回りのヨーレートを検出し、検出結果をＥＣＵ２に送出する。また、ナビゲーションシステム１３は、ＧＰＳ等を利用して車両１の位置を検出するための装置である。ナビゲーションシステム１３は、車両１前方のカーブ曲率（χ）や勾配等の状況を検知する機能をも有している。ＥＣＵ２は、ナビゲーションシステム１３を用いて車両１の位置および走行すると予想される道路の状況を把握する。

さらに、ＥＣＵ２には、モータドライバ１４も接続されている。モータドライバ１４は、上述したステアリングギヤボックス５に配設されたモータ（アクチュエータ）１５が接続されている。図示されていないが、ラックバー６の一部外周面にはボールスクリュー溝が形成されており、モータ１５のロータにはこのボールスクリュー溝に対応するボールスクリュー溝を内周面上に有するボールナットが固定されている。一対のボールスクリュー溝の間には複数のベアリングボールが収納されており、モータ１５を駆動させるとロータが回転してラックバー６の軸方向の移動、すなわち、転舵をアシストすることができる。

モータドライバ１４は、ＥＣＵ２の指令信号に従ってモータ１５に駆動電流を供給する。モータ１５は、モータドライバ１４から供給された駆動電流に応じた操舵トルクをラックバー６に付与する。ＥＣＵ２は、後述する論理に従ってモータドライバ１４に指令信号を供給し、モータ１５を駆動して付与操舵を付与する。この付与操舵を付与することにより、ラックバー６を変位させ、車輪ＦＬ，ＦＲを転舵させる。

また、ＥＣＵ２には、警告ランプ１６および警報ブザー１７が接続されている。警告ランプ１６は、車室内に搭乗した乗員が視認可能な位置に配置されており、ＥＣＵ２からの指令信号に従って点灯する。また、警報ブザー１７は、ＥＣＵ２からの指令信号に従って車室内へ音声を発する。

次に、本実施形態における操舵制御について説明する。図４は、操舵支援制御の動作を示すブロック図である。

図４に示すように、まず、ＣＣＤカメラ８によって、車両１の前方状況を撮像し（図２右下）、撮像した画像に基づいて画像処理部９によって、走行レーン５１の状況（カーブ曲率χ）と、車両１のオフセット距離Ｄおよびヨー角θとが算出される。なお、カーブ曲率χは、撮像された画像から前方カーブの曲率Ｒを幾何学的に求め、この逆数（１／Ｒ）を取ることで求められる。幾何学的な求め方としては、車両１の所定距離前方における白線の横方向への偏位量や車両１の所定距離前方における白線の接線の傾きを参照して行えばよい。

また、走行経路に対して目標となるオフセットやヨー角は、目標オフセット距離Ｄ_０および目標ヨー角θ_０として予め決定されている。

モータドライバ１４への制御量の算出にあたっては、制御量となるヨーレートωを算出する必要がある。このヨーレートωは、カーブ曲率χに基づくヨーレートω_ｒにオフセット距離Ｄを補償するヨーレートω_ｄとヨー角θを補償するヨーレートω_θを合算したものとして求められる。

まず、車両１前方のカーブ曲率χに基づいて、車両１をこのカーブに沿って走行させるために必要なヨーレートω_ｒを求める。このヨーレートω_ｒは、フィードフォワードコントローラ（Ｆ／Ｆコントローラ）２１によって、入力されたカーブ曲率χから所定の特性に基づいて算出される。この所定の特性は、たとえば、マップ形式でＥＣＵ２内に格納しておき、カーブ曲率χに基づいて必要なヨーレートω_ｒを読み出す形式で求めるとよい。あるいは、ＥＣＵ２内に格納したプログラム内に関数形式で記述しておき、カーブ曲率χに基づいて必要なヨーレートω_ｒを算出すればよい。

ヨー角θを補償する（目標に収束させる）ために必要となるヨーレートω_θは、ヨー角θと目標ヨー角θ_０との偏差（θ_０−θ）に係数Ｋ_θをかけて算出される。

一方、オフセット距離Ｄを補償する（目標値に収束させる）ために必要となるヨーレートω_ｄについては、以下のようにして算出する。まず、オフセット距離Ｄと目標オフセット距離Ｄ_０との偏差（Ｄ_０−Ｄ）を求め、これを不感帯設定手段２３へと入力する。また、不感帯設定手段２３へは、車速も入力される。不感帯設定手段２３では、車速に応じたオフセット距離Ｄと目標オフセット距離Ｄ_０との偏差（Ｄ_０−Ｄ）の不感帯を設定し、この不感帯の最大値Ｌをしきい値として、オフセット距離Ｄと目標オフセット距離Ｄ_０との偏差（Ｄ_０−Ｄ）がしきい値Ｌを超える場合、オフセット距離Ｄと目標オフセット距離Ｄ_０との偏差（Ｄ_０−Ｄ）からしきい値Ｌを減じた値（Ｄ_０−Ｄ−Ｌ）をオフセット偏差Ｄ′として積分手段２４へと出力する。また、オフセット距離Ｄと目標オフセット距離Ｄ_０との偏差（Ｄ_０−Ｄ）がしきい値Ｌ以下の場合には、オフセット偏差Ｄ′を０とする。積分手段２４では、不感帯設定手段２３から出力されたオフセット偏差Ｄ′に所定の係数Ｋｄを乗じてオフセット距離Ｄを補償するヨーレートω_ｄが算出される。このように、オフセット偏差Ｄ′を設定するにあたり、不感帯を設定し、不感帯の最大値をしきい値としている。このため、オフセット距離Ｄと目標オフセット距離Ｄ_０との偏差（Ｄ_０−Ｄ）が不感帯の領域内にある場合には、偏差の積分が行われない。したがって、走行路に対する自車両の偏差が小さい場合には、偏差の積分が行われないので、自車両が走行路からオフセットした位置を走行した場合における操舵制御によるドライバに対する反力の発生を防止することができる。

こうして算出された３つのヨーレートを合算することで、目標ヨーレートωが算出される。この目標ヨーレートωは、車速センサ１１によって検出された車速Ｖを用いて目標横加速度Ｇに変換され、トルク演算器２２によって、この目標横加速度Ｇを発生させるために必要な、転舵量＝モータ１５の駆動トルク（付与操舵に対応するトルク）Ｔが算出される。

ＥＣＵ２は、求めた駆動トルクＴに応じて、モータドライバ１４に指示して、モータ１５を駆動せしめる。その結果、左右前輪ＦＲ，ＦＬが転舵され、車両１は車線を維持すべく旋回される。車両１が旋回すると、再度ＣＣＤカメラ８によって前方の状況が撮像され、上述したことが繰り返される。

さらに、本実施形態に係る操舵装置では、不感帯設定手段２３において、オフセット偏差Ｄ′を求めるために、車速に応じた不感帯を設定している。この不感帯の設定範囲を図５に示す。図５では、横軸にオフセット距離をとり、縦軸の不感帯を追加したオフセット距離をとっている。この不感帯は、図５に示すように、車速が大きいときには、車速が小さいときよりも大きく設定されている。このため、車速が大きいとき、不感帯部分が大きくなる。車両１の速度が大きい場合、ドライバが感じる操舵制御の反力は、車速が小さいときよりも大きなものとなる。

具体的に、車両１の車速Ｖが低車速しきい値Ｖ０よりも小さい場合には、不感帯を小不感帯領域として、０〜小しきい値Ｌ０に設定する。また、車速が高車速しきい値Ｖ１よりも小さい場合には、不感帯を中不感帯領域として、０〜中しきい値Ｌ１に設定する。さらに、車速が高車速しきい値Ｖ１以上である場合には、不感帯を大不感帯領域として、０〜大しきい値Ｌ２に設定する。このときに低車速しきい値Ｖ０や高車速しきい値Ｖ１、各不感帯Ｌ０〜Ｌ２は、車両の旋回特性や操舵制御によって与えられる反力の度合い等によって適宜決定することができるが、一例を挙げると、たとえば低車速しきい値Ｖ０としては、車両が通常車両専用道路を走行する際の速度である８０ｋｍ／ｈ〜１００ｋｍ／ｈの間の任意の速度を設定することができ、高しきい値としては、車両が車両専用道路を高速で走行する際の速度である１２０ｋｍ／ｈ〜１６０ｋｍ／ｈの間の任意の速度を設定することができる。このように、車速の大きさは、Ｖ０＜Ｖ１に設定されている。また、しきい値の大きさは、Ｌ０＜Ｌ１＜Ｌ２と設定されている。

このように、車速が大きいときには、車速が小さいときよりも大きく不感帯（しきい値）を設定することにより、操舵制御によるドライバに対する反力の発生をさらに好適に防止することができる。

以下、本実施形態に係る操舵装置による制御手順について説明する。図６は、実施形態に係る操舵装置の制御手順を示すフローチャートである。

図６に示すように、本実施形態に係る操舵装置の制御においては、まず、車両１の走行レーンからのオフセット距離Ｄを検出する（Ｓ１）。オフセット距離Ｄの検出は、画像処理部９で白線検出を行った後、車両１と白線との幾何学的位置関係を求めることによって行われる。

車両１の走行レーンからのオフセット距離Ｄを検出したら、不感帯設定手段２３では、車速が低車速しきい値Ｖ０より小さいか否かを判断する（Ｓ２）。その結果、車速が低車速しきい値Ｖ０より小さいと判断した場合には、不感帯の最大値を小しきい値Ｌ０とした不感帯領域を設定して（Ｓ３）不感帯処理（Ｓ７）に進む。一方、車速が低車速しきい値Ｖ０より小さくない（低車速しきい値Ｖ０以上である）と判断した場合には、車速が高車速しきい値Ｖ１より小さいか否かを判断する（Ｓ４）。

その結果、車速が高車速しきい値Ｖ１よりも小さいと判断した場合には、不感帯の最大値を中しきい値Ｌ１として不感帯領域を設定して（Ｓ５）、不感帯処理（Ｓ７）に進む。また、車速が高車速しきい値Ｖ１よりも小さくない（高車速しきい値Ｖ１以上である）と判断した場合には、不感帯の最大値を大しきい値Ｌ２とした不感帯領域を設定して（Ｓ６）、不感帯処理（Ｓ７）に進む。

不感帯処理（Ｓ７）では、ステップＳ３、Ｓ５、Ｓ６で設定された不感帯領域に基づいて、オフセット距離Ｄと目標オフセット距離Ｄ_０との偏差（Ｄ−Ｄ_０）が不感帯の最大値（しきい値）よりも大きいか否かを判断し、不感帯の最大値よりも大きい場合には、オフセット距離Ｄと目標オフセット距離Ｄ_０との偏差（Ｄ−Ｄ_０）から不感帯の最大値Ｌｎ（ｎ＝０〜２）を減じた値をオフセット偏差Ｄ′として積分手段２４に出力する。また、オフセット距離Ｄと目標オフセット距離Ｄ_０との偏差（Ｄ−Ｄ_０）が不感帯の最大値以下である場合には、オフセット偏差Ｄ′を０として積分手段２４に出力する。

こうして、不感帯設定手段２３がオフセット偏差Ｄ′を出力したら、積分手段２４は、オフセット偏差Ｄ′を積分処理する（Ｓ８）。以後、積分処理以外の制御量を算出し（Ｓ９）、最終的にトルク演算器２２からモータドライバ１４に制御量を出力する（Ｓ１０）。モータドライバ１４は、出力された制御量に応じてモータ１５を駆動することにより、適切な付与操舵トルクを付与することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では、オフセット距離Ｄと目標オフセット距離Ｄ_０との偏差（Ｄ−Ｄ_０）からしきい値Ｌを減じた値をオフセット偏差Ｄ′としているが、オフセット距離Ｄと目標オフセット距離Ｄ_０との偏差（Ｄ−Ｄ_０）がしきい値Ｌを超えた場合に、この偏差をオフセット偏差Ｄ′として設定することができる。また、上記実施形態では、オフセット距離のほかヨー角を補償するための駆動トルクを求めているが、オフセット距離を補償する駆動トルクを求める態様とすることができる。

さらに、上記実施形態では、転舵輪を転舵させるモータの駆動トルクを制御しているが、たとえば転舵輪の転舵角度を制御する態様とすることもできる。また、上記実施形態では、走行路検出手段としてＣＣＤカメラを用いているが、たとえば高精度ＧＰＳやＶＩＣＳ（Vehicle Information and Communication System）などを用いることもできる。

また、上記実施形態では、操舵機構に付与する付与操舵を付与操舵トルクとしたが、付与操舵はこれに限定されるものではない。たとえば、ステアリングの操舵角度や操舵軸の角度、車両のヨーを調整することによって付与操舵を付与することもできる。

本実施形態の操舵装置のブロック構成図である。 車両に搭載されている画像部により走行車線の画像データが取得される状況を説明するための図である。 車両が走行車線を走行する際の各種道路パラメータおよび走行パラメータを説明するための図である。 操舵制御の動作を示すブロック図である。 オフセット距離と、不感帯を追加したオフセット距離との関係を示すグラフである。 操舵装置の制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１…車両、２…ＥＣＵ、３…ステアリングホイール、４…ステアリングシャフト、５…ステアリングギヤボックス、６…ラックバー、７…ナックルアーム、８…ＣＣＤカメラ、９…画像処理部、１０…舵角センサ、１１…車速センサ、１２…ヨーレートセンサ、１３…ナビゲーションシステム、１４…モータドライバ、１５…モータ、１６…警告ランプ、１７…警報ブザー、２３…不感帯設定手段、２４…積分手段。

Claims (1)

1. 自車両の走行路を検出する走行路検出手段を備え、前記走行路検出手段で検出された走行路に沿って前記自車両が走行するように、操舵機構に操舵を付与する操舵装置において、
   前記走行路に設定された所定位置に対する自車両の偏差を積分する積分手段と、
   前記積分手段で積分された前記偏差の積分値に基づいて、前記操舵機構に付与する付与操舵を設定する付与操舵設定手段と、を備え、
   前記積分手段は、前記偏差を積分するに当たり、所定位置からの偏差が予め設定されたしきい値よりも大きい場合に、前記偏差から前記しきい値を減じた値の積分を行い、
   前記しきい値は、前記自車両の車速が大きいときには、前記自車両の車速が小さいときよりも大きく設定されていることを特徴とする操舵装置。

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