JP6185805B2 - 車両のレーンキープ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動パワーステアリングモータを駆動させて設定した目標コースに沿って走行制御する車両のレーンキープ制御装置に関する。

近年、交通事故の低減やドライバの負担を軽減することを目的として、設定した目標コースに沿って走行するように操舵を支援補助し制御する様々なレーンキープ制御装置の技術が開発・提案されている。例えば、特開２００６−２６４４０５号公報（以下、特許文献１）では、車両の走行車線を認識し、走行車線の認識結果に基づいて、走行車線の目標位置に対する車両位置のずれ量を位置偏差として算出し、位置偏差を減少させるための位置補正制御量を、位置偏差の積分演算により算出した積分制御量を用いて算出し、位置補正制御量を用いて目標制御量を決定する車両の操舵制御装置において、積分制御量を位置偏差に応じて設定した所定範囲内に制限する技術が開示されている。

特開２００６−２６４４０５号公報

一般に、車両に作用するカント等の外乱で生じる横ずれ量を無くすように制御するには積分処理を用いたフィードバック制御でずれ量を無くすように制御することが望ましい。しかしながら、上述の特許文献１に開示されるような前方の位置偏差を積分処理してフィードバック制御する技術では、カント等の外乱により生じる横ずれ量とそれ以外で生じる横ずれ量とを共に積分処理してフィードバック制御するため、積分ゲインを高めることができず、積分制御量を上述の特許文献１に開示されるように複雑に制限したりしなければならないという課題があり、この制限処理の設定によっては精度の良いレーンキープ制御ができなくなる虞もある。また、精度の向上を図るため制御を様々に設定すると、却って不自然な操舵となりドライバの操舵感を損ねてしまう問題もある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、制御が複雑化すること無く、ずれ量を生じている要因に応じた最適なフィードバック制御を適用して目標コースからのずれ量を無くし、精度良く、自然な操舵感で目標コースに沿って走行することができる車両のレーンキープ制御装置を提供することを目的としている。

本発明の車両のレーンキープ制御装置の一態様は、自車両が走行すべき目標コースを設定し、自車両の車両軌跡を推定して、予め設定する前方注視点における上記目標コースと上記推定した自車両の車両軌跡とのずれを無くすようにフィードバック制御するフィードバック制御手段を備え、少なくとも上記フィードバック制御手段により出力された制御量に基づいてパワーステアリングモータを駆動させて上記目標コースに沿って走行するように制御する車両のレーンキープ制御装置において、上記フィードバック制御手段は、少なくとも、現在の自車位置を上記目標コースにオフセットさせ、オフセット後の上記自車位置を基準とする上記車両軌跡の上記前方注視点における上記目標コースからのずれ量を、現在位置から上記前方注視点の位置までの自車両に作用する外力により発生する上記目標コースからのずれ量として算出し、算出した上記目標コースからの上記ずれ量に基づきフィードバック制御を行う第１のフィードバック制御手段と、上記前方注視点における上記目標コースと上記推定した自車両の車両軌跡の位置のずれ量に基づきフィードバック制御を行う第２のフィードバック制御手段と、を備えた。

本発明による車両のレーンキープ制御装置によれば、制御が複雑化すること無く、ずれ量を生じている要因に応じた最適なフィードバック制御を適用して目標コースからのずれ量を無くし、精度良く、自然な操舵感で目標コースに沿って走行することが可能となる。

本発明の実施の一形態に係る車両の操舵系の構成説明図である。 本発明の実施の一形態に係る操舵制御部の機能ブロック図である。 本発明の実施の一形態に係るレーンキープ制御プログラムのフローチャートである。 本発明の実施の一形態に係る電動パワーステアリングモータの操舵トルク−モータ電流値の特性の一例を示す説明図である。 本発明の実施の一形態に係る座標系及び白線、目標コース、外乱補償フィードバック制御、横位置フィードバック制御の説明図である。 本発明の実施の一形態に係るヨー角フィードバック制御の説明図である。 本発明の実施の一形態に係るフィードフォワード制御の説明図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１において、符号１は操舵角をドライバ入力と独立して設定自在な電動パワーステアリング装置を示し、この電動パワーステアリング装置１は、ステアリング軸２が、図示しない車体フレームにステアリングコラム３を介して回動自在に支持されており、その一端が運転席側へ延出され、他端がエンジンルーム側へ延出されている。ステアリング軸２の運転席側端部には、ステアリングホイール４が固設され、また、エンジンルーム側へ延出する端部には、ピニオン軸５が連設されている。

エンジンルームには、車幅方向へ延出するステアリングギヤボックス６が配設されており、このステアリングギヤボックス６にラック軸７が往復移動自在に挿通支持されている。このラック軸７に形成されたラック（図示せず）に、ピニオン軸５に形成されたピニオンが噛合されて、ラックアンドピニオン式のステアリングギヤ機構が形成されている。

また、ラック軸７の左右両端はステアリングギヤボックス６の端部から各々突出されており、その端部に、タイロッド８を介してフロントナックル９が連設されている。このフロントナックル９は、操舵輪としての左右輪１０Ｌ，１０Ｒを回動自在に支持すると共に、車体フレームに転舵自在に支持されている。従って、ステアリングホイール４を操作し、ステアリング軸２、ピニオン軸５を回転させると、このピニオン軸５の回転によりラック軸７が左右方向へ移動し、その移動によりフロントナックル９がキングピン軸（図示せず）を中心に回動して、左右輪１０Ｌ，１０Ｒが左右方向へ転舵される。

また、ピニオン軸５にアシスト伝達機構１１を介して、電動パワーステアリングモータ（電動モータ）１２が連設されており、この電動モータ１２にてステアリングホイール４に加える操舵トルクのアシスト、及び、設定された操舵角（目標操舵角）となるような操舵トルクの付加が行われる。電動モータ１２は、後述する操舵制御部２０から制御出力値としての目標電流Ｉcmdがモータ駆動部２１に出力されてモータ駆動部２１により駆動される。

操舵制御部２０には、走行路の形状として前方の左右白線を認識して白線位置情報を取得する走行路形状を認識する前方認識装置３１が接続され、また、車速Ｖを検出する車速センサ３２、操舵角（実舵角）θｐを検出する操舵角センサ３３、操舵トルクＴｄを検出する操舵トルクセンサ３４、車両に作用する外乱の一つとして走行路のカント角φを検出するカント検出センサ３５が接続されている。

前方認識装置３１は、例えば、車室内の天井前方に一定の間隔をもって取り付けられ、車外の対象を異なる視点からステレオ撮像する１組のＣＣＤカメラと、このＣＣＤカメラからの画像データを処理するステレオ画像処理装置とから構成されている。

前方認識装置３１のステレオ画像処理装置における、ＣＣＤカメラからの画像データの処理は、例えば以下のように行われる。まず、ＣＣＤカメラで撮像した自車両の進行方向の１組のステレオ画像対に対し、対応する位置のずれ量から距離情報を求め、距離画像を生成する。

白線データの認識では、白線は道路面と比較して高輝度であるという知得に基づき、道路の幅方向の輝度変化を評価して、画像平面における左右の白線の位置を画像平面上で特定する。この白線の実空間上の位置（ｘ，ｙ，ｚ）は、画像平面上の位置（ｉ，ｊ）とこの位置に関して算出された視差とに基づいて、すなわち、距離情報に基づいて、周知の座標変換式より算出される。自車両の位置を基準に設定された実空間の座標系は、本実施の形態では、例えば、図５に示すように、ステレオカメラの中央真下の道路面を原点として、車幅方向をｘ軸、車高方向をｙ軸、車長方向（距離方向）をｚ軸とする。このとき、ｘ−ｚ平面（ｙ＝０）は、道路が平坦な場合、道路面と一致する。道路モデルは、道路上の自車両の走行レーンを距離方向に複数区間に分割し、各区間における左右の白線を所定に近似して連結することによって表現される。尚、本実施の形態では、走行路の形状を１組のＣＣＤカメラからの画像を基に認識する例で説明したが、他に、単眼カメラ、カラーカメラからの画像情報を基に求めるものであっても良い。

また、カント検出センサ３５は、例えば、以下の（１）式により、カント角φを算出するようになっている。
φ＝ｓｉｎ^−１（（Ｇ’−Ｇ）／ｇ） …（１）
ここで、Ｇは横加速度センサ（図示せず）で検出した横加速度値で、Ｇ’は、例えば、以下の（２）式により算出される計算横加速度値で、ｇは重力加速度である。
Ｇ’＝（１／（１＋Ａｓ・Ｖ^２））・（Ｖ^２／Ｌｗ）・θｐ …（２）
ここで、Ａｓは車両固有のスタビリティファクタで、Ｌｗはホイールベースである。

尚、カント角φは、他に、前方認識装置３１により検出されるものであっても良く、また、図示しないナビゲーションシステムの地図情報等から得られるものであっても良い。

そして、操舵制御部２０は、上述の各入力信号を基に、走行路形状に基づいてフィードフォワード制御により目標コース（本実施の形態においては左白線と右白線の中間）に沿って走行するのに必要なフィードフォワード制御量Ｉffを算出し、予め実験・演算等により設定した予見時間Ｔ経過後の位置を前方注視点とし、現在位置から前方注視点の位置までの自車両に作用する外力により発生する目標コースからのずれ量を現在の車両位置を車両軌跡から目標コースにオフセットして算出し、このずれ量を無くすフィードバック制御量（外乱補償フィードバック制御量）Ｉfbcを算出し、前方注視点における目標コースと推定した自車両の車両軌跡の位置のずれ量に基づき、このずれ量を無くすフィードバック制御量（横位置フィードバック制御量）Ｉfbを算出し、車両のヨー角を目標コースに沿ったヨー角にするフィードバック制御量（ヨー角フィードバック制御量）Ｉfbyを算出し、ドライバの操舵トルクＴｄに応じて設定するモータ基本電流Ｉpsbと、フィードフォワード制御量Ｉffと、各フィードバック制御量Ｉfbc、Ｉfb、Ｉfbyとから電動モータ電流値Ｉcmdを算出し、モータ駆動部２１に出力して電動モータ１２を駆動制御する。

このため、操舵制御部２０は、図２に示すように、モータ基本電流設定部２０ａ、外乱補償フィードバック制御部２０ｂ、横位置フィードバック制御部２０ｃ、ヨー角フィードバック制御部２０ｄ、フィードフォワード制御部２０ｅから主要に構成されている。

モータ基本電流設定部２０ａは、車速センサ３２から車速Ｖが入力され、操舵トルクセンサ３４から操舵トルクＴｄが入力される。そして、例えば、予め設定しておいた図４に示すような、操舵トルクＴｄ−電動モータ基本電流値Ｉpsbの特性マップを参照して電動モータ基本電流値Ｉpsbを設定し、モータ駆動部２１に出力する。

外乱補償フィードバック制御部２０ｂは、前方認識装置３１から認識された画像情報が入力され、車速センサ３２から車速Ｖが入力され、操舵角センサ３３から操舵角θｐが入力され、カント検出センサ３５からカント角φが入力される。そして、例えば、以下の（３）式により、現在における自車位置と目標コースの位置のずれを、自車両に作用する外力（例えば、カント等）により発生したずれと考えて、現在の車両位置を車両軌跡から目標コースにオフセットし、このずれ量を無くすフィードバック制御量（外乱補償フィードバック制御量）Ｉfbcを算出してモータ駆動部２１に出力する。
Ｉfbc＝Ｇifbc・∫（Δｘ−ｘｉ）ｄｔ＋Ｇpfbc・（Δｘ−ｘｉ）＋Ｇkifbc・ｆ（φ） …（３）
ここで、Ｇifbc、Ｇpfbc、Ｇkifbcは、予め実験・演算等により設定しておいたゲインである。

また、Δｘは、図５に示すように、前方注視点における横偏差（目標コースと推定した自車両の車両軌跡の位置のずれ量）であり、例えば、以下の（４）式により算出される。
Δｘ＝（ｘｌ＋ｘｒ）／２−ｘｖ …（４）
ここで、ｘｖは推定した車両軌跡の前方注視点のｚ座標におけるｘ座標である。本実施の形態においては、前方注視点におけるｚ座標ｚｖは、例えば、ｚｖ＝Ｖ・Ｔで算出される。

従って、前方注視点のｘ座標ｘｖは、車両の走行状態に基づいて車両の諸元や車両固有のスタビリティファクタＡｓ等を用いる場合には、例えば、以下の（５）式で算出することができる。
ｘｖ＝（１／２）・（１／（１＋Ａｓ・Ｖ^２））・（θｐ／Ｌｗ）・（Ｖ・Ｔ）^２
…（５）
また、（４）式における、ｘｌは前方注視点のｚ座標における左白線のｘ座標であり、ｘｒは前方注視点のｚ座標における右白線のｘ座標である。更に、（３）式における、ｘｉは、略現在における目標コースと自車位置のずれ（自車位置を基準とした略現在における目標コースのｘ座標）である。

すなわち、上述の（３）式の中で、第１の演算項「Ｇifbc・∫（Δｘ−ｘｉ）ｄｔ」、及び、第２の演算項「Ｇpfbc・（Δｘ−ｘｉ）」における「（Δｘ−ｘｉ）」は、自車位置を目標コースにオフセットして演算を行うことを示し、現在における自車位置と目標コースの位置のずれを自車両に作用する外力により発生したずれと考えて、現在位置から目標注視点に到達するまでに生じる外力により発生する目標コースからのずれ量「（Δｘ−ｘｉ）」をフィードバック制御により無くすものとなっている。

また、上述の（３）式の中で、第２の演算項「Ｇpfbc・（Δｘ−ｘｉ）」は、急激な入力変動があった場合の制御応答性を保つための比例演算項となっている。

更に、上述の（３）式の中の第３の演算項「Ｇkifbc・ｆ（φ）」のｆ（φ）は、予め実験・演算等により設定されたマップ、テーブル、演算式により求められるカント角φ（或いは、他の外力）に応じて生じるずれ量を示す。すなわち、予めずれ量の発生が予測できている場合には、このずれ量を加えておくのである。このように、外乱補償フィードバック制御部２０ｂは、第１のフィードバック制御手段として設けられている。

尚、上述の（３）式の第２の演算項「Ｇpfbc・（Δｘ−ｘｉ）」、及び、第３の演算項「Ｇkifbc・ｆ（φ）」は、第１の演算項「Ｇifbc・∫（Δｘ−ｘｉ）ｄｔ」によるフィードバック制御量で（ゲインＧifbcの設定等で）十分に対応できる場合には、適宜、省略しても良い。

横位置フィードバック制御部２０ｃは、前方認識装置３１から認識された画像情報が入力され、車速センサ３２から車速Ｖが入力され、操舵角センサ３３から操舵角θｐが入力される。そして、例えば、以下の（６）式により、前方注視点における目標コースと推定した自車両の車両軌跡の位置のずれ量Δｘ（前述の（４）式参照）に基づき、目標コースに沿って走行するのに必要な電動モータ１２のフィードバック制御量（横位置フィードバック制御量）Ｉfbを算出してモータ駆動部２１に出力する。
Ｉfb＝Ｇfb・Δｘ …（６）
ここで、Ｇfbは、予め実験・演算等により設定しておいたゲインである。このように、横位置フィードバック制御部２０ｃは、第２のフィードバック制御手段として設けられている。

ヨー角フィードバック制御部２０ｄは、前方認識装置３１から認識された画像情報が入力される。そして、例えば、以下の（７）式により、車両のヨー角を目標コースに沿ったヨー角にフィードバック制御するヨー角フィードバック制御量Ｉfbyを算出してモータ駆動部２１に出力する。
Ｉfby＝Ｇfby・θ …（７）
θ＝（θtl＋θtr）／２ …（８）
ここで、Ｇfbyは、予め実験・演算等により設定しておいたゲインで、θtlは前方認識装置３１からの画像情報による左白線に対する自車両の傾き、θtrは前方認識装置３１からの画像情報による右白線に対する自車両の傾きである（図６参照）。尚、これら、θtl、θtrは、例えば、画像情報で得られる白線の各点に対して、二次の最小二乗法によって計算された、一次項の係数（すなわち、白線を、ｘ＝Ａ・ｚ^２＋Ｂ・ｚ＋Ｃの式で近似した際のＢの値）を用いても良い。

このように、ヨー角フィードバック制御部２０ｄは、第３のフィードバック制御手段として設けられている。そして、本実施の形態では、以上の外乱補償フィードバック制御部２０ｂ、横位置フィードバック制御部２０ｃ、ヨー角フィードバック制御部２０ｄでフィードバック制御手段が構成されている。

フィードフォワード制御部２０ｅは、前方認識装置３１から認識された画像情報が入力される。そして、例えば、以下の（９）式により、目標コースに沿って走行するのに必要な電動モータ１２のフィードフォワード制御量Ｉffを算出してモータ駆動部２１に出力する。
Ｉff＝Ｇff・κ …（９）
ここで、κは、例えば、以下の（１０）式で示すような、車線曲率を示す。
κ＝（κｌ＋κｒ）／２ …（１０）
ここで、κｌは左白線による曲率成分であり、κｒは右白線による曲率成分である。これら、左右白線の曲率成分κｌ，κｒは、具体的には、図７に示すような、左右白線のそれぞれを構成する点に関して、二次の最小自乗法によって計算された二次項の係数を用いることによって定められる。例えば、ｘ＝Ａ・ｚ^２＋Ｂ・ｚ＋Ｃの二次式で白線を近似した場合、２・Ａの値が曲率成分として用いられる。尚、これら白線の曲率成分κｌ、κｒは、それぞれの白線の曲率そのものでも良い。また、（９）式におけるＧffは、予め設定するフィードフォワードゲインを示す。

以上のように、モータ基本電流設定部２０ａ、外乱補償フィードバック制御部２０ｂ、横位置フィードバック制御部２０ｃ、ヨー角フィードバック制御部２０ｄ、フィードフォワード制御部２０ｅの各々からモータ駆動部２１に出力されて、電動モータ電流値Ｉcmd＝Ｉpsb＋Ｉfbc＋Ｉfb＋Ｉfby＋Ｉffとなる。

次に、上述の操舵制御部２０で実行されるレーンキープ制御について、図３のフローチャートで説明する。
まず、ステップ（以下、「Ｓ」と略称）１０１で、モータ基本電流設定部２０ａは、操舵トルクＴｄを基に、例えば、予め設定しておいた図４に示すような、操舵トルクＴｄ−電動モータ基本電流値Ｉpsbの特性マップを参照して電動モータ基本電流値Ｉpsbを設定し、出力する。

次に、Ｓ１０２に進み、前方注視点における推定車両軌跡のｘ座標ｘｖが、例えば、前述の（５）式により算出される。

次いで、Ｓ１０３に進み、前方注視点における横偏差（目標コースと推定した自車両の車両軌跡の位置のずれ量）Δｘが、前述の（４）式により算出される。

次に、Ｓ１０４に進み、外乱補償フィードバック制御部２０ｂは、例えば、前述の（３）式により、外乱補償フィードバック制御量Ｉfbcを算出し、出力する。

次いで、Ｓ１０５に進み、横位置フィードバック制御部２０ｃは、例えば、前述の（６）式により、横位置フィードバック制御量Ｉfbを算出し、出力する。

次に、Ｓ１０６に進み、ヨー角フィードバック制御部２０ｄは、例えば、前述の（７）式により、ヨー角フィードバック制御量Ｉfbyを算出し、出力する。

次いで、Ｓ１０７に進み、フィードフォワード制御部２０ｅは、例えば、前述の（９）式により、フィードフォワード制御量Ｉffを算出し、出力する。

そして、Ｓ１０８に進み、電動モータ電流値Ｉcmd＝Ｉpsb＋Ｉfbc＋Ｉfb＋Ｉfby＋Ｉffが、モータ駆動部２１に出力される。

このように、本実施の形態では、走行路形状に基づいてフィードフォワード制御により目標コースに沿って走行するのに必要なフィードフォワード制御量Ｉffを算出し、現在位置から予め設定する前方注視点の位置までの自車両に作用する外力により発生する目標コースからのずれ量を現在の車両位置を車両軌跡から目標コースにオフセットして算出し、このずれ量を無くす外乱補償フィードバック制御量Ｉfbcを算出し、前方注視点における目標コースと推定した自車両の車両軌跡の位置のずれ量に基づき、このずれ量を無くす横位置フィードバック制御量Ｉfbを算出し、車両のヨー角を目標コースに沿ったヨー角にするヨー角フィードバック制御量Ｉfbyを算出し、ドライバの操舵トルクＴｄに応じて設定するモータ基本電流Ｉpsbと、フィードフォワード制御量Ｉffと、各フィードバック制御量Ｉfbc、Ｉfb、Ｉfbyとから電動モータ電流値Ｉcmdを算出し、モータ駆動部２１に出力して電動モータ１２を駆動制御する。このため、制御が複雑化すること無く、ずれ量を生じている要因に応じた最適なフィードバック制御を適用されて目標コースからのずれ量を無くし、精度良く、自然な操舵感で目標コースに沿って走行することが可能となる。

１ 電動パワーステアリング装置
２ ステアリング軸
４ ステアリングホイール
５ ピニオン軸
１０Ｌ、１０Ｒ 車輪
１２ 電動モータ
２０ 操舵制御部
２０ａ モータ基本電流設定部
２０ｂ 外乱補償フィードバック制御部（第１のフィードバック制御手段、フィードバック制御手段）
２０ｃ 横位置フィードバック制御部（第２のフィードバック制御手段、フィードバック制御手段）
２０ｄ ヨー角フィードバック制御部（フィードバック制御手段）
２０ｅ フィードフォワード制御部
２１ モータ駆動部
３１ 前方認識装置
３２ 車速センサ
３３ 操舵角センサ
３４ 操舵トルクセンサ
３５ カント検出センサ

Claims (5)

1. 自車両が走行すべき目標コースを設定し、自車両の車両軌跡を推定して、予め設定する前方注視点における上記目標コースと上記推定した自車両の車両軌跡とのずれを無くすようにフィードバック制御するフィードバック制御手段を備え、少なくとも上記フィードバック制御手段により出力された制御量に基づいてパワーステアリングモータを駆動させて上記目標コースに沿って走行するように制御する車両のレーンキープ制御装置において、
   上記フィードバック制御手段は、少なくとも、
   現在の自車位置を上記目標コースにオフセットさせ、オフセット後の上記自車位置を基準とする上記車両軌跡の上記前方注視点における上記目標コースからのずれ量を、現在位置から上記前方注視点の位置までの自車両に作用する外力により発生する上記目標コースからのずれ量として算出し、算出した上記目標コースからの上記ずれ量に基づきフィードバック制御を行う第１のフィードバック制御手段と、
   上記前方注視点における上記目標コースと上記推定した自車両の車両軌跡の位置のずれ量に基づきフィードバック制御を行う第２のフィードバック制御手段と、
   を備えたことを特徴とする車両のレーンキープ制御装置。
2. 上記第１のフィードバック制御手段は、少なくとも上記前方注視点における上記目標コースと上記推定した自車両の車両軌跡の位置のずれ量から現在における上記目標コースと自車の位置のずれ量を減算し、該減算した値を積分処理してフィードバック制御することを特徴とする請求項１記載の車両のレーンキープ制御装置。
3. 上記第１のフィードバック制御手段は、上記減算した値の積分処理に加え、上記減算した値に所定のゲインを乗算する比例処理を行ってフィードバック制御することを特徴とする請求項２記載の車両のレーンキープ制御装置。
4. 上記第１のフィードバック制御手段は、予め上記外力による上記目標コースからのずれ量が推定される場合は、該推定した目標コースからのずれ量を加えてフィードバック制御することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の車両のレーンキープ制御装置。
5. 上記フィードバック制御手段は、車両のヨー角を上記目標コースに沿ったヨー角にフィードバック制御する第３のフィードバック制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の車両のレーンキープ制御装置。

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