JP5790232B2

JP5790232B2 - 車両の自動走行制御装置

Info

Publication number: JP5790232B2
Application number: JP2011158916A
Authority: JP
Inventors: 寰劉
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2031-07-20
Also published as: JP2013023051A

Description

本発明は、自動走行制御装置に関し、特に車両を目標走行ラインに沿って自動操舵する自動走行制御装置に関する。

近年、車両の自動操舵制御に関する様々な技術が提案され、その実用化が進められている。例えば、特許文献１には、目標走行ラインの曲率に応じて車両に発生すべき平衡点操舵角を過去ｎ個分の目標操舵角の平均値（時間移動平均値）から演算することで、曲線路走行を良好に行えるようにした車両の自動操舵装置が開示されている。

特開平１０−２９７５２１号公報

ところで、推定される曲率を用いる自動操舵制御の場合、制御性能は推定される曲率の精度に大きく依存することになる。そのため、このような自動操舵制御を、例えば荷物の積み下ろしによる荷重変動が大きい商用車等に適用した場合、積荷重心の変動により車両のピッチ、ロール、ヨー等を含むダイナミック特性も大きく変動するため、曲率の推定は極めて複雑で困難なものになる。また、変動するダイナミック特性を把握すべく、各状態量を検出するセンサ類を設けると、装置のコストアップを招く可能性がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、その目的は、車両の動特性が変動した場合においても、目標走行ラインを安定して自動走行することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の車両の自動走行制御装置は、車両前方の道路情報を検出する道路情報検出手段と、検出された前記道路情報とに基づいて、車両の目標走行ラインを設定する目標走行ライン設定手段と、検出された前記道路情報と、設定された前記目標走行ラインとに基づいて、該目標走行ラインに対する車両の横方向相対位置を検出する相対位置検出手段と、車両のサスペンションの変位量から車両重量を算出する車両重量演算手段と、検出された前記横方向相対位置と、算出された前記車両重量と、該車両重量に応じて設定される車両前輪のコーナリングパワーと基づいて、車両を前記目標走行ラインに沿って走行させるためのステアリングの操舵角を目標操舵角として算出する目標操舵角演算手段と、算出された前記目標操舵角に基づいて自動操舵電流を算出する自動操舵電流演算手段と、算出された前記自動操舵電流に応じて、前記ステアリングを前記目標操舵角に回動させるアクチュエータとを備えることを特徴とする。

また、前記目標操舵角演算手段は、前記コーナリングパワーを、車両の動特性及び重心変化を考慮しない時の前記車両重量に対する関係に基づいて算出されるリファレンスコーナリングパワーとして設定してもよい。

また、前記目標操舵角演算手段は、前記横方向相対位置及び該横方向相対位置を時間微分した横方向相対速度を含む設計関数から、該設計関数のリファレンス拘束速度と実拘束速度との差で設計パラメータを調整することで、前記車両重量及び前記コーナリングパワーの変化の影響を低減して前記目標操舵角を算出してもよい。

本発明の車両の自動走行制御装置によれば、車両の動特性が変動した場合においても、目標走行ラインを安定して自動走行することができる。

本発明の一実施形態に係る自動走行制御装置の構成を示すブロック図である。図１の自動走行制御装置を搭載する車両の入出力構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る自動走行制御装置の制御フローを示すフローチャートである。

以下、図１〜３に基づいて、本発明の一実施形態に係る車両の自動走行制御装置について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、本実施形態の自動走行制御装置１０は、カメラ１１と、操舵角センサ１２と、トルクセンサ１３と、ストロークセンサ１４と、アクチュエータ１５と、ＥＣＵ（電子制御ユニット）２０とを備えている。

カメラ１１は、例えばＣＣＤカメラであって、車両前方の路面を撮像する。このカメラ１１により撮像された画像データは、電気的に接続されたＥＣＵ２０に出力される。なお、本実施形態のカメラ１１は、本発明の道路情報検出手段を構成する。

操舵角センサ１２は、図２に示すように、ステアリングシャフト３に組み付けられており、ステアリングシャフト３の回転量を検出する。この操舵角センサ１２により検出された回転量は、電気的に接続されたＥＣＵ２０に操舵角θとして出力される。

トルクセンサ１３は、図２に示すように、ステアリングシャフト３に組み付けられており、ステアリングホイール２に入力された操舵トルクを検出する。このトルクセンサ１３により検出された操舵トルクは、電気的に接続されたＥＣＵ２０に操舵トルクＴｈとして出力される。

ストロークセンサ１４は、車両の図示しない各サスペンション装置にそれぞれ組み付けられており、サスペンション装置の変位量を検出する。このストロークセンサ１４より検出された各サスペンション装置の変位量は、電気的に接続されたＥＣＵ２０に変位量Ｄとして出力される。

アクチュエータ１５は、ステアリングシャフト３に設けられた駆動部１５ａと、この駆動部１５ａに作動油を供給する油圧ポンプ１５ｂと、駆動部１５ａに供給される作動油の油圧を調整するコントロールバルブ１５ｃとを備えている。また、コントロールバルブ１５ｃはＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０から入力される指示電流ｉ_autoに応じてバルブ開度が調整される。すなわち、ＥＣＵ２０からの指示電流ｉ_autoに応じて駆動部１５ａに供給される作動油の油圧が調整され、この油圧に応じた駆動部１５ａの駆動によりステアリングシャフト３が回動することで、車両の操舵輪は自動で転舵、すなわち自動操舵されるように構成されている。

ＥＣＵ２０は、自動走行制御装置１０の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うために、ＥＣＵ２０には、操舵角センサ１２、トルクセンサ１３、ストロークセンサ１４等の各種センサの出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。また、ＥＣＵ２０は、車両重量演算部２１と、目標走行ライン設定部２２と、偏差演算部２３と、偏差微分演算部２４と、目標操舵角演算部２５と、指示電流演算出力部２６とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ２０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

車両重量演算部２１は、ストロークセンサ１４から出力される各サスペンション装置の変位量Ｄに、既知のサスペンションバネ定数を乗算して得られる各サスペンション装置の荷重を合計することで、空荷時や積載時における車両重量Ｍを演算する。なお、本実施形態のストロークセンサ１４とＥＣＵ２０の車両重量演算部２１とは、本発明の車両重量演算手段を構成する。

目標走行ライン設定部２２は、カメラ１１から出力される撮像画像に基づいて路面両端の白線を認識し、これら白線間を車両の走行レーンに設定すると共に、片側の白線（例えば、左側の白線）から所定の距離に位置するラインを目標走行ラインとして設定する。例えば、片側の白線から５０％の距離を目標走行ラインに設定した場合、両端の白線の中央に位置するラインが目標走行ラインとなる。

偏差演算部２３は、目標走行ライン設定部２２により設定された目標走行ラインに対する車両の現在位置である横方向相対位置（以下、横位置ともいう）を演算する。具体的には、カメラ１１から出力される撮像画像に基づいて、片側の白線から車両までの距離と、片側の白線から目標走行ラインまでの距離との差が偏差ｙ（目標偏差）として算出される。

偏差微分演算部２４は、偏差演算部２３が算出した偏差ｙを所定時間毎に時間微分することにより偏差微分ｙ’（以下、横速度ともいう）を算出する。

目標操舵角演算部２５は、車両重量演算部２１により算出された車両重量Ｍ、偏差演算部２３により演算された偏差ｙ、偏差微分演算部２４により算出された偏差微分ｙ’、操舵角センサ１２から出力される操舵角θ、前輪コーナリングパワーＫ_f、後輪コーナリングパワーＫ_rに基づいて、車両を目標走行ラインに沿って走行させるための操舵角を目標操舵角度δとして算出する。

指示電流演算出力部２６は、目標操舵角演算部２５により算出された目標操舵角度δに基づいて、車両を目標走行ラインに沿って走行させるためのアクチュエータ１５を駆動させる電流を指示電流ｉ_autoとして演算するとともに、この指示電流ｉ_autoをアクチュエータ１５のコントロールバルブ１５ｃに出力する。

次に、本実施形態に係る自動走行制御装置１０による制御フローを図３に基づいて説明する。

ステップＣ１０１では、カメラ１１、操舵角センサ１２、トルクセンサ１３、ストロークセンサ１４からＥＣＵ２０に必要なパラメータが読み込まれる。

ステップＣ１０２では、ＥＣＵ２０の目標走行ライン設定部２２により、カメラ１１から出力される撮像画像に基づいて目標走行ラインが設定される。

ステップＣ１０３では、ＥＣＵ２０の偏差演算部２３により、目標走行ラインに対する車両の現在位置（横位置）としての偏差ｙが算出される。

ステップＣ１０４では、ＥＣＵ２０の目標操舵角演算部２５により目標操舵角δが算出される。

ここで、操舵系の状態方程式は、以下の式（１）で表される。

なお、式（１）におけるＡ₁₁、Ａ₁₂、Ａ₁₃、Ａ₃₁、Ａ₃₂、Ａ₃₃、Ｂ₁₁、Ｂ₃₁は、以下のように表される。

また、曲率ｒは、以下の式（２）で表される。なお、式（２）において、λ_rは曲率ｒの近似一次系の係数である。

また、スライディングモードの超平面は、以下の式（３）で表される。

この式（３）において、ｈは正の任意の定数であり、実験により値を決定する。ここで、システムを安定化することができる制御入力として、以下に示す式（４）がある。

式（４）において、μ＞０は設計パラメータである。ＳＣＢを式（４）に代入すると、以下に示す式（５）となる。

式（５）に示すように、荷重変動により前輪コーナリングパワーＫ_fと車両重量Ｍとの比が変動しても、設計パラメータμを所定値以上に設定すれば、制御システムの追従ロバスト性を保証できる。しかし、車両重量Ｍと前輪コーナリングパワーＫ_fとが変動すると、σ（０）が０（ゼロ）に拘束される速度に相違が生じ、追従ロバスト性は落ちないものの、操舵系に振動現象（車両の蛇行）を引き起こすため、最適な操舵角度を得ることができない。すなわち、車両重量Ｍと前輪コーナリングパワーＫ_fとの変動が把握できればよいが、前輪コーナリングパワーＫ_fの変動は車両の動特性の影響を受けるため、把握することはきわめて困難である。

そこで、本実施形態では、車両の動特性及び重心変化を考慮しない場合の車両重量Ｍと前輪コーナリングパワーＫ_fとの関係を求める。例えば、車両が水平状態の静的状態（Static）における、各タイヤへの荷重配分とタイヤ構造とに基づいて、リファレンスとしてのリファレンスコーナリングパワーＫ_frefを算出する。また、リファレンスコーナリングパワーＫ_frefは、車両のロール、ピッチ、積載荷重による重心位置の変動により変化するため、この変化の影響を以下に示す式（６）で設計パラメータμを調整することにより低減する。

なお、式（６）において、μ_Tは調整後ＥＣＵ２０に入力するパラメータである。また、μ_Sは車両重量ＭとリファレンスコーナリングパワーＫ_frefにより設定したパラメータであってシミュレーションにより求める。また、Δμは、実拘束速度とリファレンス拘束速度との誤差を低減する調整量である。

次に、式（５）に式（６）を代入する。すなわち、目標操舵角δは以下に示す式（７）で演算される。

目標操舵角演算部２５は、式（７）から求めた目標操舵角δを指示電流演算出力部２６に入力する。

ステップＣ１０５では、指示電流演算出力部２６により指示電流ｉ_autoが算出される。ここで、目標操舵角δは、以下の式（８）に示すように、指示電流ｉ_autoと二次遅れ系の関係がある。指示電流演算出力部２６は、この式（８）に基づいて指示電流ｉ_autoを算出する。

ステップＣ１０６では、Ｃ１０５で算出された指示電流ｉ_autoが、指示電流演算出力部２６からアクチュエータ１５のコントロールバルブ１５ｃに出力されて、本制御はリターンされる。

次に、本実施形態の自動走行制御装置１０による作用について説明する。

車両が曲線路を走行する場合、カメラ１１により撮像された車両前方の路面の撮像画像に基づいて、目標走行ラインが設定されると共に、目標走行ラインに対する車両の現在の距離である偏差ｙ（横位置）と、この偏差ｙを時間微分した偏差微分ｙ’（横速度）が算出される。さらに、ストロークセンサ１４の検出値（変位量Ｄ）に基づいて、車両の重量としての車両重量Ｍが算出される。

その後、これら偏差ｙ、偏差微分ｙ’、車両重量Ｍ、操舵角θ、前輪コーナリングパワーＫ_fに基づいて、車両を目標走行ラインに沿って安定して走行させるための目標操舵角δが算出される。この時、本実施形態の自動走行制御装置１０によれば、車両の動特性及び重心変化を考慮しない場合のリファレンスコーナリングパワーＫ_frefが算出されると共に、車両の動特性の変化の影響を低減すべく、設計パラメータμが調整される。

すなわち、車両重量Ｍ及び、この車両重量Ｍに対するリファレンスコーナリングパワーＫ_frefに応じて、設計関数のリファレンス拘束速度と実拘束速度との差により設計パラメータμを調整することで、車両を目標走行ラインに沿って走行させるための最適な目標操舵角δが算出されることになる。

したがって、曲率推定等を行うことなく、動特性が大きく変化した場合においても目標操舵角δを精度良く算出することが可能となり、車両を目標走行ラインに沿って安定して自動走行させることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上述の実施形態において、目標走行ラインと偏差ｙ（横位置）とは、カメラ１１の撮像画像に基づいて設定もしくは算出されるものとして説明したが、ＧＰＳ衛星から送信される位置情報を受信して、この位置情報に基づいて設定もしくは算出してもよい。

この場合も上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

１０自動走行制御装置
１１カメラ（道路情報検出手段）
１２操舵角センサ
１３トルクセンサ
１４ストロークセンサ（車両重量演算手段）
２０ＥＣＵ
２１車両重量演算部（車両重量演算手段）
２２目標走行ライン設定部
２３偏差演算部
２４偏差微分演算部
２５目標操舵角演算部（目標操舵角演算手段）
２６指示電流演算出力部（自動操舵電流演算手段）

Claims

車両前方の道路情報を検出する道路情報検出手段と、
検出された前記道路情報に基づいて、車両の目標走行ラインを設定する目標走行ライン設定手段と、
検出された前記道路情報と、設定された前記目標走行ラインとに基づいて、該目標走行ラインに対する車両の横方向相対位置を検出する相対位置検出手段と、
車両のサスペンションの変位量から車両重量を算出する車両重量演算手段と、
検出された前記横方向相対位置と、算出された前記車両重量と、該車両重量に応じて設定される車両前輪のコーナリングパワーとに基づいて、車両を前記目標走行ラインに沿って走行させるためのステアリングの操舵角を目標操舵角として算出する目標操舵角演算手段と、
算出された前記目標操舵角に基づいて自動操舵電流を算出する自動操舵電流演算手段と、
算出された前記自動操舵電流に応じて、前記ステアリングを前記目標操舵角に回動させるアクチュエータと、を備え、
前記目標操舵角演算手段は、
前記コーナリングパワーを、車両の動特性及び重心変化を考慮しない時の前記車両重量に対する関係に基づいて算出されるリファレンスコーナリングパワーとして設定する
ことを特徴とする車両の自動走行制御装置。
車両前方の道路情報を検出する道路情報検出手段と、
検出された前記道路情報に基づいて、車両の目標走行ラインを設定する目標走行ライン設定手段と、
検出された前記道路情報と、設定された前記目標走行ラインとに基づいて、該目標走行ラインに対する車両の横方向相対位置を検出する相対位置検出手段と、
車両のサスペンションの変位量から車両重量を算出する車両重量演算手段と、
検出された前記横方向相対位置と、算出された前記車両重量と、該車両重量に応じて設定される車両前輪のコーナリングパワーとに基づいて、車両を前記目標走行ラインに沿って走行させるためのステアリングの操舵角を目標操舵角として算出する目標操舵角演算手段と、
算出された前記目標操舵角に基づいて自動操舵電流を算出する自動操舵電流演算手段と、
算出された前記自動操舵電流に応じて、前記ステアリングを前記目標操舵角に回動させるアクチュエータと、を備え、
前記目標操舵角演算手段は、
前記横方向相対位置及び該横方向相対位置を時間微分した横方向相対速度を含む設計関数から、該設計関数のリファレンス拘束速度と実拘束速度との差で設計パラメータを調整することで、前記車両重量及び前記コーナリングパワーの変化の影響を低減して前記目標操舵角を算出し、
前記拘束速度は、状態挙動がない状態に拘束される速度である
ことを特徴とする車両の自動走行制御装置。
前記目標操舵角演算手段は、
前記横方向相対位置及び該横方向相対位置を時間微分した横方向相対速度を含む設計関数から、該設計関数のリファレンス拘束速度と実拘束速度との差で設計パラメータを調整することで、前記車両重量及び前記コーナリングパワーの変化の影響を低減して前記目標操舵角を算出し、
前記拘束速度は、状態挙動がない状態に拘束される速度である請求項１に記載の車両の自動走行制御装置。