JP6541878B2 - 車両運転支援装置および車両運転支援方法 - Google Patents

Description

この発明は、運転者による車両の運転を支援する車両運転支援装置および車両運転支援方法に関する。

従来から、目標経路に沿うように運転者の操舵を補正する車両運転支援装置が知られている。このような車両運転支援装置として、走行状態と操舵状態とを取得する状態取得手段と、状態取得手段が取得した状態結果に基づいて、現時点以降の車両の走行軌道を予測する軌道予測手段と、目標軌道と軌道予測手段で予測した走行軌道との横方向誤差を減少させるべく、操舵状態を補正するための補正量を演算する補正量演算手段と、状態補正手段へ補正量を出力する補正量出力手段とを備え、この処理を時系列的に繰り返す走行支援装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この走行支援装置によれば、軌道予測手段として、車両運動モデルである車両の状態方程式を用いて、横方向誤差のコスト関数を最小にする操舵状態の補正量を演算することで、車両挙動の急変を抑制して、運転者が違和感を覚えない滑らかな操舵感を実現しつつ、車両の横方向誤差を減少させて、車線からの車両の逸脱を抑制することができる。

特開２０１０−１２６０７７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された走行支援装置では、突然現れた障害物を回避する緊急回避のような状況においては、目標経路が急変するため、依然として車両挙動が急変する恐れがある。

特に、電動パワーステアリングを用いた自動操舵において、目標経路の急変に追従しようとした場合、自動操舵による衝撃でステアリング軸にねじれが発生し、ハンドルが振動して運転者に違和感を与える恐れがある。

さらに、この衝撃によるステアリング軸のねじれは、電動パワーステアリングの操舵トルクセンサで検知され、運転者の操舵介入と判定されて、自動操舵が停止してしまう恐れもある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、自動操舵による衝撃でハンドルが振動することを抑制するとともに、運転者の操舵介入と誤判定されることを抑制することができる車両運転支援装置および車両運転支援方法を得ることを目的とする。

この発明に係る車両運転支援装置は、車両の走行状態および操舵状態を検出する状態検出器から検出結果を取得する状態取得器と、車両が走行すべき経路を示す目標経路情報を取得する目標経路情報取得器と、車両の運動を記述する車両運動モデルと、ハンドルと車両の操舵を支援するモータとを連結するステアリング軸の運動を記述するステアリング軸運動モデルとを用いて、目標経路情報に対する車両の位置の偏差と、ステアリング軸のねじれ量とを予測する予測器と、目標経路情報に対する車両の位置の偏差およびステアリング軸のねじれ量に基づいて、ステアリング軸のねじれ量を低減するように、モータを制御する操舵制御器の目標量を演算する演算器と、を備え、演算器は、予測器で予測される目標経路情報に対する車両の位置の偏差とステアリング軸のねじれ量とからなるコスト関数を演算する評価器、又は、予測器で予測される目標経路情報に対する車両の位置の偏差からなるコスト関数と予測器で予測されるステアリング軸のねじれ量に関する制約条件とを演算する評価器と、予測器と評価器とを用いた収束演算によって、ステアリング軸の転舵角度を演算する最適化演算器と、を有するものである。

また、この発明に係る車両運転支援方法は、車両の運転を支援する車両運転支援装置によって実現される車両運転支援方法であって、車両の走行状態および操舵状態を検出する状態検出器から検出結果を取得する状態取得ステップと、車両が走行すべき経路を示す目標経路情報を取得する目標経路情報取得ステップと、車両の運動を記述する車両運動モデルと、ハンドルと車両の操舵を支援するモータとを連結するステアリング軸の運動を記述するステアリング軸運動モデルとを用いて、目標経路情報に対する車両の位置の偏差と、ステアリング軸のねじれ量とを予測する予測ステップと、目標経路情報に対する車両の位置の偏差およびステアリング軸のねじれ量に基づいて、ステアリング軸のねじれ量を低減するように、モータを制御する操舵制御器の目標量を演算する演算ステップと、を有し、演算ステップは、予測ステップで予測される目標経路情報に対する車両の位置の偏差とステアリング軸のねじれ量とからなるコスト関数を演算する評価ステップ、又は、予測ステップで予測される目標経路情報に対する車両の位置の偏差からなるコスト関数と予測ステップで予測されるステアリング軸のねじれ量に関する制約条件とを演算する評価ステップと、予測ステップと評価ステップとを用いた収束演算によって、ステアリング軸の転舵角度を演算する最適化演算ステップと、を有するものである。

この発明に係る車両運転支援装置および車両運転支援方法によれば、車両の運動を記述する車両運動モデルと、ハンドルと車両の操舵を支援するモータとを連結するステアリング軸の運動を記述するステアリング軸運動モデルとを用いて、目標経路情報に対する車両の位置の偏差と、ステアリング軸のねじれ量とが予測され、目標経路情報に対する車両の位置の偏差およびステアリング軸のねじれ量に基づいて、ステアリング軸のねじれ量を低減するように、モータを制御する操舵制御器の目標量が演算される。
そのため、自動操舵による衝撃でハンドルが振動することを抑制するとともに、運転者の操舵介入と誤判定されることを抑制することができる。

この発明の実施の形態１に係る車両運転支援装置を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１に係る車両運転支援装置を周辺装置とともに示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る車両運転支援装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る車両運転支援装置の要部を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１に係る車両運転支援装置における地上固定座標系と目標経路情報との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る車両運転支援装置に接続された操舵制御器を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１に係る車両運転支援装置の効果を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る車両運転支援装置の効果を示す説明図である。

以下、この発明に係る車両運転支援装置および車両運転支援方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る車両運転支援装置を示すブロック構成図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係る車両運転支援装置を周辺装置とともに示す構成図である。

図１、図２において、車両運転支援装置１２は、車両の走行状態および操舵状態を検出する種々のセンサ等から情報を取得し、車両の運転を支援するための操舵制御器９の目標値を演算し、操舵制御器９に演算した目標値を出力する。

また、車両運転支援装置１２は、目標値を演算するために必要な演算処理を実行するＣＰＵ２２と、ＲＯＭ２３およびＲＡＭ２４を含むメモリとを含むマイクロコンピュータから構成されている。

また、自動車等の車両のステアリング機構は、ハンドル１とステアリング軸２とを備え、車両の左右の転舵輪３は、運転者がハンドル１を操作することにより回転するステアリング軸２の回転に応じて転舵される。

また、ステアリング軸２には、操舵トルクセンサ５が配置されており、この操舵トルクセンサ５により、ハンドル１を介してステアリング軸２に作用する、運転者による操舵トルクが検出される。

この例では、ステアリング軸２の一部がトーションバーとされている。操舵トルクセンサ５は、ステアリング軸２のトーションバーのねじれ角に応じた信号を発生する。ステアリング軸２が受ける、運転者による操舵トルクは、操舵トルクセンサ５からの信号に基づいて求められる。

モータ６は、減速機構７を介してステアリング軸２に連結されており、操舵制御器９によりモータ６に流れる電流が制御され、モータ６が発生する操舵補助トルクをステアリング軸２に付与することができる。

また、モータ６には、モータ６の回転角度を検出するモータ回転角度センサが設けられており、この実施の形態では、モータ回転角度センサで検出された回転角度を減速機構７の減速比で割ったものを転舵角度とし、モータ回転角度センサを転舵角度センサ１０として用いる。

車両には、車両の走行速度を検出する車速センサ８と、車両の走行位置、姿勢を検出する車両位置・姿勢センサ１１と、車両の回転角速度を検出するヨーレートセンサ１３とが設けられている。以下、車両の走行速度を車速と称する。また、車両には、車両が走行すべき経路を示す目標経路情報を設定する目標経路情報設定器１４が設けられている。

続いて、図１、図２とともに、図３、図４を参照しながら、この発明の要部である車両運転支援装置１２の動作および演算処理について説明する。図３は、この発明の実施の形態１に係る車両運転支援装置の動作を示すフローチャートであり、図４は、この発明の実施の形態１に係る車両運転支援装置の要部を示すブロック構成図である。

なお、図３に示すフローチャートに示す動作は、あらかじめ設定された所定時間の制御周期で繰り返し実行される。この実施の形態では、所定時間の制御周期Ｔｓを５０ｍｓとする。

まず、状態取得器である図１のＩ／Ｆ部２１にて、各センサの検出値を取得する（ステップＳ１）。

この実施の形態では、車速センサ８で検出された車両の車速Ｖ、車両位置・姿勢センサ１１で検出された車両のＹ軸方向変位ｙ、その速度

および車両の姿勢角θ、ヨーレートセンサ１３で検出された車両のヨーレート

、転舵角度センサ１０で検出された転舵角度δ_p、並びに操舵トルクセンサ５で検出された操舵トルクを、Ｉ／Ｆ部２１を介して、車両運転支援装置１２のＲＡＭ２４に取り込む。

なお、この実施の形態では、座標系は、図５に示されるように、地上に固定した座標系を用いる。図５は、この発明の実施の形態１に係る車両運転支援装置における地上固定座標系と目標経路情報との関係を示す説明図である。

続いて、目標経路情報取得器である図１のＩ／Ｆ部２１にて、目標経路情報設定器１４から車両が走行すべき経路を示す目標経路情報を取得する（ステップＳ２）。ここで、目標経路情報は、例えば図５に示されるように、地上固定座標系での目標走行経路を示す座標である。また、図５に示す目標経路は、左車線への車線変更を示している。

次に、取得した各センサ情報および目標経路情報を用いて、予測器４１にて将来の走行状態、操舵状態を演算する（ステップＳ３）。ここで、予測器４１は、車両の走行状態を予測するための、車両の運動を記述する車両運動モデル４２と、ステアリング軸の操舵状態を予測するための、ステアリング軸の運動を記述するステアリング軸運動モデル４３とを含んでいる。

車両運動モデル４２としては、例えば、地上固定座標系で記述された２輪モデルを用いる。運動方程式では、次式（１）、次式（２）のように記述することができる。

式（１）、式（２）において、各パラメータは、以下の表１に示される。

続いて、ステアリング軸運動モデル４３について説明する。ステアリング軸２は、ハンドル１と、減速機７を介したモータ６および転舵輪３とを連結しており、そのねじり剛性をＫ_tsensとし、粘性係数をＣ_tsensとする。また、ステアリング軸運動モデル４３は、次式（３）のように記述することができる。

また、操舵トルクセンサ５は、ステアリング軸２に作用するトルクをステアリング軸２のねじれ量から検出するものである。操舵トルクセンサ５で検出される操舵トルクＴ_sensは、次式（４）でモデル化される。

ここで、状態変数ｘを次式（５）

として、式（１）〜式（３）は、次式（６）、次式（７）で示される状態方程式に変換することができる。

また、式（６）、式（７）において、各値は、次式（８）〜次式（１１）で示される。

また、状態方程式で表した車両運動モデル、ステアリング軸運動モデルの入力ｕは、次式（１２）で示される転舵角速度とする。

また、制御周期Ｔｓで離散化した差分方程式は、次式（１３）、次式（１４）で示される。

予測器４１では、式（１３）、式（１４）で記述した車両運動モデル、ステアリング軸運動モデルと、各種センサで取得した現在の走行状態

および操舵状態

を状態変数の初期値ｘ［１］とし、後述する最適化演算器４５から受け取る予測ステップ数Ｎ分の入力ｕ［１］〜ｕ［Ｎ］を用いて、ｘ［１］からｘ［１＋Ｎ］までの将来の走行状態および操舵状態を予測する。

例えば、Ｎ＝２０とすると、Ｔｓが５０ｍｓであるため、１秒先の状態までを予測する。ここで、δ_hの初期値は、式（４）を用いて、検出された転舵角度δ_pと検出された操舵トルクＴ_sensとから演算される。また、

はδ_hを微分して演算される。

続いて、評価器４４にて、コスト関数Ｊを設定し、コストを演算する（ステップＳ４）。この実施の形態では、コスト関数Ｊを次式（１５）のように設定する。

ここで、式（１５）の右辺第１項は、予測ステップ数Ｎ分の将来における目標経路と予測した車両経路との偏差を小さくするための項である。また、右辺第２項は、予測ステップ数Ｎ分の将来におけるステアリング軸２のねじれ量を小さくするための項である。また、右辺第３項は、予測ステップ数Ｎ分の将来における入力、ここでは転舵角速度

を小さくする項である。なお、Ｑ_y、Ｑ_T、Ｒは、それぞれの項の重みである。

次に、最適化演算器４５にて、演算したコストがあらかじめ設定された所定値以下、または最小値であるか確認する（ステップＳ５）。

ステップＳ５において、演算したコストが所定値以下、または最小値である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、、ｕ［１］〜ｕ［Ｎ］を、そのサンプリング時点での、予測ステップ数Ｎ分の将来における、コスト関数Ｊを最適化する最適入力値とする。

一方、ステップＳ５において、演算したコストが所定値以下、または最小値でない（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、コストＪを減らすようにｕ［１］〜ｕ［Ｎ］を変更して、ステップＳ３〜ステップＳ５の処理を、コストが所定値以下、または最小値になるまで繰り返す。

なお、このステップＳ３〜ステップＳ５の演算は、いわゆる最適化問題の解法であり、公知の種々の手法を用いることができる。

続いて、目標量出力器である図１のＩ／Ｆ部２５において、操舵制御器９に操舵制御器の目標量を出力する（ステップＳ６）。ここで、操舵制御器９の目標量は、ステアリング軸２の転舵角の目標角度δ_refであり、予測器４１で演算した結果から、δ_ref＝δ_p［２］とする。なお、δ_p［２］は、予測した最初のステップの転舵角度である。

以上、車両運転支援装置１２は、上記ステップＳ１からステップＳ６までを所定時間の制御周期Ｔｓで実施することを繰り返す。

次に、図６を参照しながら、操舵制御器９の動作について説明する。図６は、この発明の実施の形態１に係る車両運転支援装置に接続された操舵制御器を示すブロック構成図である。

図６において、操舵制御器９は、車両運転支援装置１２から出力された目標角度δ_refと、転舵角度センサ１０で検出された転舵角度δ_pとを、Ｉ／Ｆ部５１を介して取得する。

角度制御器５２は、取得した目標角度δ_refと転舵角度δ_pとから、目標角度δ_refに転舵角度δ_pが追従するために必要な、モータ６に流す目標電流を演算する。モータ駆動器５３は、モータ６に角度制御器５２で演算した目標電流がモータに流れるように、電流を制御する。

なお、角度制御器５２は、目標角度δ_refと転舵角度δ_pとの偏差に応じたＰＩＤ制御等、公知の種々の制御を適用することができる。

以上の構成により、車両運転支援装置１２で演算した目標角度δ_refに転舵角度δ_pが追従するように、モータ６でステアリング軸２、すなわちハンドル１を操舵することができる。

続いて、図７、図８を参照しながら、この実施の形態の効果について説明する。図７、図８は、この発明の実施の形態１に係る車両運転支援装置の効果を示す説明図である。

また、図７は、式（１５）において、右辺第２項を零としたシミュレーション結果を示し、図８は、式（１５）において、右辺第２項を用いたシミュレーション結果を示している。なお、図７と図８の縦軸のスケールは同じであり、目標経路は、２秒間で３．５ｍの車線変更をする経路となっている。

まず、図７、図８ともに、予測器４１を用いて、コスト関数を最適化するように逐次制御しているため、目標経路への追従が同等によいことが分かる。また、予測器４１を用いているため、１秒の時点で目標経路が変化する前に、転舵角度δ_pを制御していることが分かる。これにより、目標経路への追従性が良くなっている。

ただし、ステアリング軸２のねじれ量をコスト関数に加えていない図７では、転舵角度δ_pの変化が急であるところが生じ、操舵トルクセンサ５の検出値の変動が大きくなっていることが分かる。これは、ステアリング軸２のねじれ量（δ_h−δ_p）が大きくなっていることと同じである。

このとき、電動パワーステアリングを用いた自動操舵において、目標経路の急変に追従しようとした場合、自動操舵による衝撃でステアリング軸にねじれが発生し、ハンドル１が振動して運転者に違和感を与える恐れがある。

これに対して、ステアリング軸２のねじれ量をコスト関数に加えた図８では、トルクセンサの検出値の変動が小さく抑えられていることが分かる。これは、コスト関数を小さくするように操舵制御器の目標値を演算するため、ステアリング軸２のねじれ量が発生しにくいように、転舵角度δ_pの目標値が設定されるためである。また、図８の２段目に示すように、転舵角度δ_pの変化も、図７の２段目よりも滑らかになっていることが分かる。

このように、ステアリング軸２の運動を記述するステアリング軸運動モデルを用いて、少なくとも将来のステアリング軸２のねじれ量を含む操舵状態を予測し、予測されるステアリング軸２のねじれ量を小さくするように、操舵制御器９の目標量を演算することにより、ハンドル１の振動を抑制し、より滑らかで違和感のない自動操舵が可能となる。

さらに、自動操舵に関する技術として、自動操舵の方向と運転者の操舵したい方向とが異なる場合に、運転者の操舵を優先するオーバーライド技術がある。このオーバーライド技術では、一般的に、操舵トルクセンサ５の絶対値が大きい状況を運転者が操舵介入している状況と判定して、自動操舵から運転者の手動運転に切り替えている。

そのため、ステアリング軸２のねじれ量をコスト関数に加えていない図７では、自動操舵で、運転者が介入していない場合においても、操舵トルクセンサ５の検出値が大きくなることにより、運転者の操舵介入と誤判定し、手動運転に切り替わってしまう恐れがあった。

これに対して、この実施の形態の構成によれば、操舵トルクセンサ５の検出値を小さく抑えられるため、運転者の操舵介入との切り分けが容易になり、誤判定を防止することが可能となるため、より滑らかで違和感のない自動操舵が可能となる。

さらに、運転者が実際に操舵介入した場合、ねじれ量をコスト関数に加えていない場合、目標経路への追従を優先した目標転舵角度が演算されるため、オーバーライド機能を備えなければ、運転者が操舵介入をすることは困難である。

これに対して、ねじれ量をコスト関数に加えた場合は、運転者による操舵介入でステアリング軸２のねじれ量が大きくなると、ねじれ量を低減することも考慮して、目標転舵角度が演算されるため、運転者の操舵介入を可能にする。これは、オーバーライド機能を搭載した場合においては、より滑らかなオーバーライドを可能にする。

また、地上固定座標系を用いることにより、最適化問題を解くための繰り返し演算中に座標変換をする必要がなく、演算負荷を軽減することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、車両の運動を記述する車両運動モデルと、ハンドルと車両の操舵を支援するモータとを連結するステアリング軸の運動を記述するステアリング軸運動モデルとを用いて、目標経路情報に対する車両の位置の偏差と、ステアリング軸のねじれ量とが予測され、目標経路情報に対する車両の位置の偏差およびステアリング軸のねじれ量に基づいて、ステアリング軸のねじれ量を低減するように、モータを制御する操舵制御器の目標量が演算される。
そのため、自動操舵による衝撃でハンドルが振動することを抑制するとともに、運転者の操舵介入と誤判定されることを抑制することができる。

また、演算器は、予測器で予測される目標経路情報に対する車両の位置の偏差とステアリング軸のねじれ量とからなるコスト関数を演算する評価器と、予測器と評価器とを用いた収束演算によって、少なくともコスト関数をあらかじめ設定された所定値以下、または最小値に収束させるために必要なステアリング軸の転舵角度を演算する最適化演算器と、を有する。
すなわち、ステアリング軸運動モデルを考慮して、コスト関数にステアリング軸のねじれ量を含めることで、ステアリング軸のねじれ量を抑制し、ハンドル振動を抑えることが可能となるため、より滑らかで違和感のない自動操舵が可能となる。

なお、上記実施の形態１では、モータ回転角度センサを転舵角度センサ１０として用いたが、ステアリング軸２の操舵トルクセンサ５と転舵輪３との間に、別途角度センサを取りつけてもよい。

なお、目標経路情報設定器１４を車両運転支援装置１２に備える構成としてもよい。例えば、白線を検出するカメラを備え、カメラで検出された白線情報から目標経路情報設定器１４において、目標経路情報を演算してもよい。

また、車両運動モデルやステアリング軸運動モデルは、記載したモデルに限定するものではなく、より、実機に近いモデルを用いてもよい。

また、上記実施の形態１では、操舵角度を検出する操舵角度センサは用いなかったが、図２のハンドル１に取り付けた操舵角度センサ４を用いて、操舵角度δ_hを検出してもよく、操舵角度センサ４と転舵角度センサ１０との差分からステアリング軸２のねじれ量を演算してもよい。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２について説明する。ただし、上記実施の形態１と共通する構成については、同一の名称、符号、および記号を用いることとし、相違点について説明する。

上記実施の形態１では、評価器４４のコスト関数Ｊにねじれ量の項を含めたが、この実施の形態では、ねじれ量の項を含めず、制約条件として、ねじれ量、または操舵トルクの最小値と最大値を設定する。

また、ステップＳ３〜ステップＳ５の繰り返し演算によって、次式（１６）を満たす範囲で、コスト関数Ｊを所定値以下、または最小とするｕ［１］〜ｕ［Ｎ］を演算する。

式（１６）において、Ｔ_{sens_min}は負の値で、Ｔ_{sens_max}と大きさは同じである。例えば、Ｔ_{sens_max}の大きさは、１Ｎｍに設定する。

これにより、図７で生じる操舵トルク変動を低減することが可能となる。また、運転者がハンドル１を操舵した場合には、操舵トルクセンサ５で検出された操舵トルクを１Ｎｍに抑える範囲で、コスト関数Ｊを小さくする転舵角の目標角度δ_refが演算される。

また、オーバーライドの運転者の介入を判定する操舵トルクの閾値をＴ_{sens_max}以上とすることにより、運転者の介入により、操舵トルクの大きさがＴ_{sens_max}以上となる場合には、スムーズに手動運転に移行することが可能となる。

このように、ステアリング軸２の運動を記述するステアリング軸運動モデルを用いて、少なくとも将来のステアリング軸２のねじれ量を含む操舵状態を予測し、予測されるステアリング軸２のねじれ量を小さくするように、操舵制御器９の目標量を演算することにより、ハンドル１の振動を抑制し、また、運転者の介入と誤判定する課題を防止することができ、より滑らかで違和感のない自動操舵が可能となる。

以上のように、実施の形態２によれば、車両の運動を記述する車両運動モデルと、ハンドルと車両の操舵を支援するモータとを連結するステアリング軸の運動を記述するステアリング軸運動モデルとを用いて、目標経路情報に対する車両の位置の偏差と、ステアリング軸のねじれ量とが予測され、目標経路情報に対する車両の位置の偏差およびステアリング軸のねじれ量に基づいて、ステアリング軸のねじれ量を低減するように、モータを制御する操舵制御器の目標量が演算される。
そのため、自動操舵による衝撃でハンドルが振動することを抑制するとともに、運転者の操舵介入と誤判定されることを抑制することができる。

また、演算器は、予測器で予測される目標経路情報に対する車両の位置の偏差からなるコスト関数と、予測器で予測されるステアリング軸のねじれ量に関する制約条件を演算する評価器と、予測器と評価器とを用いた収束演算によって、少なくとも制約条件を満たし、かつコスト関数をあらかじめ設定された所定値以下、または最小値に収束させるために必要なステアリング軸の転舵角度を演算する最適化演算器と、を有する。
すなわち、ステアリング軸運動モデルを考慮して、制約条件にステアリング軸のねじれ量を含めることで、ステアリング軸のねじれ量を抑制し、ハンドル振動を抑えることが可能となるため、より滑らかで違和感のない自動操舵が可能となる。

なお、上記実施の形態２では、コスト関数にねじれ量を含めない構成を示したが、これに限定するものではない。例えば、式（１５）、式（１６）の両方を用いて、ステップＳ３〜ステップＳ５の繰り返し演算からｕ［１］〜ｕ［Ｎ］を演算してもよい。

これにより、自動操舵時のステアリング軸２のねじれ量を低減できるとともに、運転者が操舵した場合には、操舵トルクの大きさをＴ_{sens_max}以下に抑えるように、ｕ［１］〜ｕ［Ｎ］を演算するため、運転者の操舵介入との干渉を抑制することができる。なお、制約条件は、ヨーレート等その他の状態量に対して設定してもよい。

実施の形態３．
以下、この発明の実施の形態３について説明する。ただし、上記実施の形態１と共通する構成については、同一の名称、符号、および記号を用いることとし、相違点について説明する。

上記実施の形態１では、車両運転支援装置１２から出力した転舵角の目標角度δ_refから、操舵制御器９でモータを制御して、所望の転舵角度δ_pを実現するまでの遅れを考慮していない。このとき、実際には、ネットワークを介して車両運転支援装置１２から操舵制御器９に信号を送受信するための遅れや、操舵制御器９の応答遅れ等が生じている。

これらの遅れは、上記実施の形態１ではモデルに考慮されていないため、実際の車両において、遅れが無視できないくらい大きい場合には、システムの安定性が低下し、転舵角度δ_pが発振してしまう恐れがある。そこで、この実施の形態では、この遅れを考慮し、ハンドルの振動を抑制し、さらに滑らかで違和感のない自動操舵を実現する。

具体的には、ステップＳ３の予測器４１が上記実施の形態１とは異なり、遅れを考慮した予測器になっている。ここで、式（９）を次式（１７）のように修正することで、目標角度δ_refから実際の転舵角度δ_pになるまでの遅れによる車両運動遅れをモデル化している。

これは、遅れがＴ_delayあるとすると、

だけ転舵角が少ないと考え、モデル化したものである。

この実施の形態では、遅れＴ_delayによる制御系の不安定化への影響が、車両運動に対して大きいため、車両運動モデルに遅れのモデルを含めている。ただし、この構成に限定するものではなく、ステアリング軸運動モデル式（３）、式（４）にも、遅れのモデルを含めてよい。

また、遅れのモデル化として、今回は、転舵角度δ_pの遅れとしてモデル化したが、これに限定されず、転舵角度速度

の時点で、遅れをモデル化してもよい。

また、遅れのモデルは、式（１７）に限定するものではなく、次式（１８）で示されるように、離散化した状態方程式において、遅れに相当するステップ数分遅らせた転舵角度δ_{p_delay}を、車両運動モデルのδ_pに適用してもよい。

この実施の形態の構成によれば、予測器４１で使用する運動モデルに、遅れのモデルを含めているため、最適化演算器４５で演算されるｕ［１］〜ｕ［Ｎ］は、遅れを考慮した中での最適入力を演算することが可能となる。

すなわち、遅れを考慮し、遅れをキャンセルするように、進み補正された入力を演算することが可能となる。その結果、制御系の安定性を改善させ、振動を抑えた滑らかで違和感のない自動操舵を実現できる。

なお、上記実施の形態１〜３においては、車両運転支援装置１２と操舵制御装置９とを別々の装置としたが、操舵制御装置９の舵角制御器５２、モータ駆動器５３を車両運転支援装置１２に組み込んだ構成としてもよい。この場合には、ネットワークを介す必要がなくなるため、その分の遅れを改善することができる。

実施の形態４．
以下、この発明の実施の形態４について説明する。ただし、上記実施の形態１と共通する構成については、同一の名称、符号、および記号を用いることとし、相違点について説明する。

この実施の形態４では、ステアリング軸運動モデル４３が上記実施の形態１とは異なり、さらに次式（１９）を用いる。

式（１９）において、Ｔ_alignは、路面反力トルクであり、式（１）、式（２）で演算される状態量から演算する。また、Ｔ_motorは、モータが発生するトルクであり、ここでは、減速機構７のギア比を掛けたものである。また、モデルへの入力ｕは、モータが発生するトルクＴ_motorである。これは、モータの電流でも等価である。

モデルの入力をモータが発生するトルクＴ_motorとすることで、モータ６が発生できる最大トルクで制約条件を設定することが可能となり、制約条件を満たす範囲内で、ハンドル１の振動を抑制し、また、操舵トルクセンサの振動を抑制し、運転者の介入と誤判定する課題を防止することができ、より滑らかで違和感のない自動操舵が可能となる。

また、モデルの入力は、上記実施の形態１〜３では転舵角速度とし、上記実施の形態４ではモータトルクとしたが、転舵角加速度、転舵角加加速度、モータトルクの変化量を入力としてもよい。

ここで、転舵角加速度や転舵角加加速度を入力とし、コスト関数や制約条件に加えることにより、より滑らかな車両挙動を実現できる。また、モータトルクの変化量を入力としてコスト関数や制約条件に加えることで、モータ電流の急変を抑え、ハンドルの振動を抑制し、また、操舵トルクセンサの振動を抑制し、運転者の介入と誤判定する課題を防止することができ、より滑らかで違和感のない自動操舵が可能となる。

実施の形態５．
以下、この発明の実施の形態５について説明する。ただし、上記実施の形態１〜４と共通する構成については、同一の名称、符号、および記号を用いることとし、相違点について説明する。

この実施の形態５では、操舵トルクセンサ５で検出された操舵トルクの大きさで、コスト関数Ｊの各項の重みを変更する。例えば、検出された操舵トルクが大きく、その絶対値があらかじめ設定された所定値よりも大きい場合には、運転者の操舵介入である可能性が高いため、Ｑ_yを小さくして、経路追従よりも、操舵トルクを軽減することを優先することで、運転者の操舵介入が妨げられることを防止できる。

また、操舵トルクセンサ５で検出された操舵トルクの大きさで、制約条件を変更してもよい。例えば、検出された操舵トルクが大きく、その絶対値が所定値よりも大きい場合には、運転者の操舵介入の可能性、すなわち、運転者がハンドル１を保舵している可能性が高いため、ステアリング軸２の挙動を滑らかにした方が、運転者に違和感を与えない。

そこで、操舵トルクの絶対値が所定値よりも大きい場合には、転舵角速度、転舵角加速度、転舵角加加速度、モータトルクの変化量の制約条件の動作範囲を小さくする。これにより、より滑らかで違和感のない自動操舵が可能となる。

また、操舵トルクセンサ５で検出された操舵トルクの大きさに応じて、予測器４１で用いる運動モデルを変更してもよい。例えば、検出された操舵トルクの絶対値が、所定値よりも大きい場合には、あらかじめ設定された所定時間だけ、ステアリング軸運動モデルも用いた予測器４１とする。

一方、検出された操舵トルクの絶対値が、所定値よりも小さい場合には、ステアリング軸運動モデルを用いず、車両運動モデルだけを用いる。この構成により、検出された操舵トルクが小さい場合には、予測器で用いるモデルを簡素化でき、演算負荷を軽減することができる。

実施の形態６．
以下、この発明の実施の形態６について説明する。ただし、上記実施の形態１と共通する構成については、同一の名称、符号、および記号を用いることとし、相違点について説明する。

この実施の形態６では、予測器４１で予測した結果である各状態量を、あらかじめ設定された所定周期Ｔｓで、Ｉ／Ｆ部２５を介して、操舵制御器９に出力する。操舵制御器９は、予測器４１で予測した結果である各状態量を取得できるため、あらかじめ、操舵制御器９の制御パラメータ等を変更することが可能となる。

例えば、予測器４１で予測したねじれ量の結果から、自動操舵時に発生してしまうステアリング軸２のねじれ量の予測が把握できるため、オーバーライド機能に用いる操舵トルクの閾値を予測したねじれ量より大きく設定し、不用意なオーバーライド判定を防止することができる。

なお、上記実施の形態１〜６は、その技術範囲で組合せることが可能である。

また、式（３）の右辺第２項に示すように、ステアリング軸２のねじれ量の変化をコスト関数や制約条件に含め、将来の所定期間のステアリング軸２のねじれ量の変化の予測値を小さくするようにしてもよい。

この構成においても、ステアリング軸２のねじれ量を小さくする効果があり、ハンドルの振動を抑制し、また、操舵トルクセンサの振動を抑制し、運転者の介入と誤判定する課題を防止することができ、より滑らかで違和感のない自動操舵が可能となる。

Claims (9)

1. 車両の走行状態および操舵状態を検出する状態検出器から検出結果を取得する状態取得器と、
   前記車両が走行すべき経路を示す目標経路情報を取得する目標経路情報取得器と、
   前記車両の運動を記述する車両運動モデルと、ハンドルと前記車両の操舵を支援するモータとを連結するステアリング軸の運動を記述するステアリング軸運動モデルとを用いて、前記目標経路情報に対する車両の位置の偏差と、前記ステアリング軸のねじれ量とを予測する予測器と、
   前記目標経路情報に対する前記車両の位置の偏差および前記ステアリング軸のねじれ量に基づいて、前記ステアリング軸のねじれ量を低減するように、前記モータを制御する操舵制御器の目標量を演算する演算器と、
   を備え、
   前記演算器は、
   前記予測器で予測される前記目標経路情報に対する前記車両の位置の偏差と前記ステアリング軸のねじれ量とからなるコスト関数を演算する評価器、又は、前記予測器で予測される前記目標経路情報に対する前記車両の位置の偏差からなるコスト関数と前記予測器で予測される前記ステアリング軸のねじれ量に関する制約条件とを演算する評価器と、
   前記予測器と前記評価器とを用いた収束演算によって、前記ステアリング軸の転舵角度を演算する最適化演算器と、を有する
   車両運転支援装置。
2. 前記評価器は、前記予測器で予測される前記車両の位置の偏差と前記ステアリング軸のねじれ量とからなるコスト関数を演算し、
   前記最適化演算器は、前記予測器と前記評価器とを用いた収束演算によって、少なくとも前記コスト関数をあらかじめ設定された所定値以下、または最小値に収束させるために必要な前記ステアリング軸の転舵角度を演算する
   請求項１に記載の車両運転支援装置。
3. 前記状態検出器で検出された操舵トルクの大きさに応じて、前記コスト関数または前記予測器で用いるモデルを変更する
   請求項２に記載の車両運転支援装置。
4. 前記評価器は、前記予測器で予測される前記目標経路情報に対する前記車両の位置の偏差からなるコスト関数と、前記予測器で予測される前記ステアリング軸のねじれ量に関する制約条件とを演算し、
   前記最適化演算器は、前記予測器と前記評価器とを用いた収束演算によって、少なくとも前記制約条件を満たし、かつ前記コスト関数をあらかじめ設定された所定値以下、または最小値に収束させるために必要な前記ステアリング軸の転舵角度を演算する
   請求項１に記載の車両運転支援装置。
5. 前記状態検出器で検出された操舵トルクの大きさに応じて、前記コスト関数、前記予測器で用いるモデルおよび前記制約条件の少なくとも１つを変更する
   請求項４に記載の車両運転支援装置。
6. 前記ステアリング軸の運動を記述するステアリング軸運動モデルは、少なくとも転舵角、転舵角速度、転舵角加速度および転舵角加加速度のうちの１つを入力とし、ステアリング軸のねじれ量を演算するモデルである
   請求項１から請求項５までの何れか１項に記載の車両運転支援装置。
7. 前記予測器は、前記操舵制御器の目標値から実際に前記モータが動作するまでの遅れを含んだモデルを有している
   請求項１から請求項６までの何れか１項に記載の車両運転支援装置。
8. 前記操舵制御器の目標量を前記操舵制御器に出力する目標量出力器をさらに備え、
   前記目標量出力器は、前記予測器における予測結果を、前記操舵制御器に出力する
   請求項１から請求項７までの何れか１項に記載の車両運転支援装置。
9. 車両の運転を支援する車両運転支援装置によって実現される車両運転支援方法であって、
   前記車両の走行状態および操舵状態を検出する状態検出器から検出結果を取得する状態取得ステップと、
   前記車両が走行すべき経路を示す目標経路情報を取得する目標経路情報取得ステップと、
   前記車両の運動を記述する車両運動モデルと、ハンドルと前記車両の操舵を支援するモータとを連結するステアリング軸の運動を記述するステアリング軸運動モデルとを用いて、前記目標経路情報に対する車両の位置の偏差と、前記ステアリング軸のねじれ量とを予測する予測ステップと、
   前記目標経路情報に対する車両の位置の偏差および前記ステアリング軸のねじれ量に基づいて、前記ステアリング軸のねじれ量を低減するように、前記モータを制御する操舵制御器の目標量を演算する演算ステップと、
   を有し、
   前記演算ステップは、
   前記予測ステップで予測される前記目標経路情報に対する車両の位置の偏差と前記ステアリング軸のねじれ量とからなるコスト関数を演算する評価ステップ、又は、前記予測ステップで予測される前記目標経路情報に対する車両の位置の偏差からなるコスト関数と前記予測ステップで予測される前記ステアリング軸のねじれ量に関する制約条件とを演算する評価ステップと、
   前記予測ステップと前記評価ステップとを用いた収束演算によって、前記ステアリング軸の転舵角度を演算する最適化演算ステップと、を有する
   車両運転支援方法。

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