JP7152906B2 - 操舵制御装置、操舵制御方法、及び操舵制御システム - Google Patents

Description

本発明は、トレーラを牽引する車両の操舵を制御する、操舵制御装置、操舵制御方法、及び操舵制御システムに関する。

特許文献１は、自動車及びトレーラからなる連結車において横揺れ運動が発生したときに、横揺れ運動に対して逆位相となる周期的なヨーモーメントを自動ブレーキ作動によって発生させる、車両の安定化方法を開示する。

特開２００６－０２１７６９号公報

しかし、車両の自動ブレーキで発生させることができるヨーモーメントは、大型のトレーラに対しては十分ではなく、横揺れ運動を効果的に抑制することができない可能性があった。
また、横揺れ運動を抑制するためのブレーキ作動によって、車両の速度が変化してしまうという課題があった。

本発明は、従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両の速度変化を抑止しつつ、より大きなトレーラを連結した場合においても横揺れ運動を抑制することができる、操舵制御装置、操舵制御方法、及び操舵制御システムを提供することにある。

本発明によれば、その１つの態様において、トレーラのヨー運動に対して逆位相となる周期的なヨーモーメントを発生させる指令を車両の後輪の操舵角を制御する後輪操舵装置に出力する。

本発明によれば、車両の速度変化を抑止しつつ、大型のトレーラが連結した場合においても横揺れ運動を抑制することができる。

操舵制御システムの概略構成図である。 操舵制御装置の構成ブロック図である。 車両（トラクタ）及びトレーラからなる連結車の運動を説明するための図である。 操舵制御装置の制御ブロック線図である。 ３輪車両モデルにおける各変数を示す図である。 トレーラ安定化制御の手順を示すフローチャートである。 トレーラ安定化制御における操舵角、ヨーレート、トレーラ外力の変化を例示するタイムチャートである。

以下、本発明に係る操舵制御装置、操舵制御方法、及び操舵制御システムの実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、操舵制御システムの概略構成図である。
図１の車両１０は、トレーラ５０（被牽引車）を牽引する牽引車（トラクタ）である。
車両１０は、左右一対の前輪１１，１１、及び、左右一対の後輪１２，１２を備えた４輪車両である。

車両１０は、運転者が操作する操舵輪（ステアリングホイール）１３の入力によって前輪１１，１１の操舵角を操作する前輪操舵装置１４、操舵制御装置３０（操舵制御部）からの指令によって後輪１２，１２の操舵角を操作する操舵アクチュエータを有した後輪操舵装置１６を備える。
なお、操舵制御装置３０は、ＭＰＵ（Microprocessor Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを有するマイクロコンピュータを備えた電子制御装置である。

また、車両１０は、車両１０の前方の走行車線や障害物を認識する第１外界認識センサ１７、及び、車両１０の後方の障害物やトレーラ５０を認識する第２外界認識センサ１８を備える。
なお、第１外界認識センサ１７，第２外界認識センサ１８（外界認識部）は、例えば単眼カメラと当該単眼カメラの画像を処理する画像処理部とを有し、画像処理によって、走行車線、障害物、トレーラ運動などの認識情報を取得する。

また、第１外界認識センサ１７，第２外界認識センサ１８は、ステレオカメラやレーザレーダなどの形状認識装置によって、走行車線、障害物、トレーラ運動などの認識情報を取得することもできる。
車両１０とトレーラ５０とは、例えばヒッチボールとヒッチカプラとからなるヒッチ部１９（連結器）によって連結する。

上記の車両１０及びトレーラ５０からなる連結車においては、過度な速度、不整な路面、横風などの影響によって、走行中に横揺れ運動（乃至振り子運動）が発生することがある。
そして、連結車に横揺れ運動が発生すると、トレーラ５０は、その垂直軸周りに振動しかつヒッチ部１９を介して車両１０を振動させ、連結車の安定性を損なうことになる。
このため、操舵制御装置３０は、車両１０及びトレーラ５０を含む連結車に発生する横揺れ運動に対して逆位相となる周期的なヨーモーメントを発生させるように車両１０の後輪操舵角を制御するトレーラ安定化制御を実施し、係るトレーラ安定化制御によって横揺れを抑止して連結車を安定化させる。

図２は、操舵制御装置３０の構成ブロック図である。
操舵制御装置３０は、運転者２０が操作するアクセルペダル２１からのアクセル開度情報ＡＯ、運転者２０が操作するブレーキペダル２２からのブレーキ開度情報ＢＯ、運転者２０が操作する操舵輪１３の角度情報などを含む運転者操作情報を入力する。

また、操舵制御装置３０は、外界認識センサ１７，１８から、車両前方及び車両後方における走行車線、障害物に関する情報、更に、車両後方のトレーラ５０の運動に関する情報を入力する。
更に、操舵制御装置３０は、車速センサ２３からの車両１０の車体速度である車速Ｖに関する情報、前後Ｇ／左右Ｇセンサ２４からの前後加速度及び左右加速度に関する情報を入力する。

操舵制御装置３０は、上記の各種情報を入力する情報処理部３１、トレーラ状態推定部３２、トレーラ運動制御部３３、アクチュエータ制御部３４としての機能を有する。
情報処理部３１は、運転者操作情報、外界認識情報及び運動状態の情報、更に、メモリに記憶してある車両１０及びトレーラ５０の車両諸元情報に基づき、連結車の運動状態を算出する。

トレーラ状態推定部３２は、情報処理部３１で算出した連結車の運動状態に基づき、トレーラ５０の運動状態を推定する。
トレーラ運動制御部３３は、トレーラ状態推定部３２が推定したトレーラ５０の運動状態を安定化させるための制御入力を生成する。
アクチュエータ制御部３４は、トレーラ運動制御部３３が生成した制御入力を実現するため、後輪操舵装置１６の操舵アクチュエータに舵角指令を出力して後輪操舵角を制御する。

図３は、車両（トラクタ）１０及びトレーラ５０からなる連結車の運動を説明するための図である。
車両１０及びトレーラ５０からなる連結車において、車両１０の重心１０Ａ回りのヨー回転運動Ｙ１は、主に車両１０の前輪１１，１１に路面から伝わる力Ｆf、車両１０の後輪１２，１２に路面から伝わる力Ｆr、及び、ヒッチ部１９にトレーラ５０側から加わり車両１０に伝わる力Ｆhによって発生する。

一方、トレーラ５０の重心５０Ａ回りのヨー回転運動Ｙ２は、ヒッチ部１９にトレーラ５０側から加わり車両１０に伝わる力Ｆh、及び、トレーラ５０の左右一対の走行輪５１，５１に路面から伝わる力Ｆlによって発生する。
そして、車両１０における力Ｆf及び力Ｆrは、前輪操舵角δf、後輪操舵角δr、横滑り角、速度などの車両１０の運動状態によってその大きさが決まる。

ここで、連結車ではなく車両１０単体とした場合、車両１０のヨー慣性モーメントに基づき、力Ｆf及び力Ｆrによって車両１０で発生するヨーレートが決まるから、操舵制御装置３０は、力Ｆf及び力Ｆrを車両１０の運動状態に基づき求めれば、車両単体でのヨーレートを推定できる。
そして、操舵制御装置３０は、車両１０単体の場合での推定ヨーレートと、連結車で車両１０に実際に発生しているヨーレートとを比較することで、力Ｆh（トレーラ外力）を推定できる。

一方、トレーラ５０の車両諸元が既知である場合、トレーラ５０のヨー運動（ヨーイング）を外界認識センサ１８などが計測すれば、操舵制御装置３０は、トレーラ５０の横滑り角や速度などの運動状態を求めることができ、これらからトレーラ５０の走行輪５１，５１に路面から伝わる力Ｆlを推定できる。
以上のように、操舵制御装置３０は、ヒッチ部１９に加わる力Ｆh（トレーラ外力）及びトレーラ５０の走行輪５１，５１に路面から伝わる力Ｆlを推定することで、トレーラ５０のヨーレートなどの状態を推定できる。

そして、操舵制御装置３０は、トレーラ状態の推定結果に基づき車両１０の後輪操舵角を制御することで、車両１０の後輪１２，１２に路面から伝わる力Ｆrを操作し、トレーラ５０に発生しているヨー運動を抑制する方向の力をヒッチ部１９の力で発生させることで、連結車の横揺れを抑制する。
ここで、連結車の横揺れによって車両１０及びトレーラ５０に発生するヨーレートは周期的に変動するから、操舵制御装置３０による後輪操舵角の制御は、横揺れ運動に対して逆位相となる周期的なヨーモーメントを発生させる指令になる。
なお、トレーラ５０にヨーレートセンサや加速度センサを搭載することで、操舵制御装置３０は、トレーラ５０の走行輪５１，５１に路面から伝わる力Ｆlを、センサ出力から直接求めることができる。

図４は、操舵制御装置３０の制御ブロック線図である。
操舵制御装置３０は、まず、アクセル開度情報ＡＯ、ブレーキ開度情報ＢＯ、及び操舵輪角度情報などの運転者の操作情報３０１や、後輪操舵角３０２の情報を、車両諸元に基づいた車両モデル３０３へ入力し、車両１０単体時の理論車両応答３０４を算出する。

また、操舵制御装置３０は、車速センサ２３や前後Ｇ／左右Ｇセンサ２４などの車載センサ３０５（車両運動状態取得部）からの車両運動情報（車両１０の運動状態に関する情報）に基づき実車両応答３０６を求める。
そして、操舵制御装置３０は、理論車両応答３０４と実車両応答３０６との差分に基づき、車両１０に加わるトレーラ外力３０７（ヒッチ部１９にトレーラ５０側から加わり車両１０に伝わる力Ｆh）を推定する。

更に、操舵制御装置３０は、トレーラ外力３０７と、外界認識センサ１８によって認識したトレーラ５０の運動に基づき、トレーラ５０に加わっている力やヨーモーメントなどのトレーラ状態３０８を推定する。
そして、操舵制御装置３０は、トレーラ５０のヨー運動を抑制するヨーモーメントをトレーラ運動制御３０９によって算出し、トレーラ５０のヨー運動を抑制するヨーモーメントを、後輪操舵角３０２を変化させることで実際に発生させる。

ここで、操舵制御装置３０は、閾値を超えるヨー運動がトレーラ５０で発生する場合、換言すれば、トレーラ５０のヨー運動が許容レベルを超えるときに、係るトレーラ５０のヨー運動を抑制するヨーモーメントを後輪操舵によって発生させ、トレーラ５０のヨー運動を低下させる。
なお、操舵制御装置３０は、トレーラ５０に搭載したヨーレートセンサや加速度センサ、ヒッチ部１９の角度を計測するセンサなどを用いて、トレーラ運動の計測を行うことができる。

図５は、３輪車両モデルを示している。
図５において、ｘ、ｙ、ｚは車両１０の座標系の座標軸である。この座標系において、座標軸ｘの正方向は車両１０の前方向で、座標軸ｙの正方向は車両１０の左方向で、座標軸ｚの正方向は車両１０の上方向である。
また、ｘt、ｙt、ｚtは、トレーラ５０の座標系の座標軸である。この座標系において、座標軸ｘtの正方向はトレーラ５０の前方向で、座標軸ｙtの正方向はトレーラ５０の左方向で、座標軸ｚtの正方向はトレーラ５０の上方向である。

また、Ｌfは前輪１１，１１と車両重心１０Ａ間の距離、Ｌrは後輪１２，１２と車両重心１０Ａ間の距離、Ｌhはヒッチ部１９と車両重心１０Ａ間の距離、Ｌthはヒッチ部１９とトレーラ重心５０Ａ間の距離、Ltrはトレーラ５０の走行輪５１，５１とトレーラ重心５０Ａ間の距離である。
また、ｍvは車両１０の質量、Ｊvzzは車両１０のヨー慣性モーメント、ψは車両１０のヨー角（ドットはヨー角速度）、ｍtはトレーラ５０の質量、Ｊtzzはトレーラ５０のヨー慣性モーメント、ψtはトレーラ５０のヨー角（ドットはヨー角速度）である。

また、δfは車両１０の前輪１１，１１の操舵角、δrは車両１０の後輪１２，１２の操舵角である。
また、ｆ_xfは車両１０の前輪１１，１１の縦方向のタイヤ力で正方向を車両１０の前方向とする。ｆ_yfは車両１０の前輪１１，１１の横方向のタイヤ力で正方向を車両１０の左方向とする。ｆ_xrは車両１０の後輪１２，１２の縦方向のタイヤ力で正方向を車両１０の前方向とする。ｆ_yrは車両１０の後輪１２，１２の横方向のタイヤ力で正方向を車両１０の左方向とする。

また、ｆ_xhは縦方向のヒッチ力で正方向を前方向とし、ｆ_yhは横方向のヒッチ力で正方向を左方向とする.
また、ｆ_xtはトレーラ５０の走行輪５１，５１の縦方向のタイヤ力で正方向をトレーラ５０の前方向とし、ｆ_ytはトレーラ５０の走行輪５１，５１の横方向のタイヤ力で正方向をトレーラ５０の左方向とする。
また、εはヒッチ角である。

そして、車両１０の運動方程式は、数式１のようになる。

同様にトレーラ５０の運動方程式は、数式２のようになる。

ここで、運動方程式を数式３のように定義する。

なお、数式３の各変数は数式４に示す通りである。

操舵制御装置３０は、数式５のオブザーバ（状態推定器）による推定結果を用いることで、数式６にしたがって、トレーラ５０の運動を推定できる。

そして、操舵制御装置３０は、推定したトレーラ５０の運動に基づき、トレーラ安定化制御（後輪操舵制御）を行う。

図６は、上記トレーラ安定化制御の手順を示すフローチャートである。
操舵制御装置３０は、まず、ステップＳ５０１で、前輪操舵角δfなどの運転者の操作情報を取得する。
また、操舵制御装置３０は、ステップＳ５０２で、車載センサが検出した車両１０のヨーレート、車速などの車両運動情報（車載センサ情報）を取得する。

次いで、操舵制御装置３０は、ステップＳ５０３で、ステップＳ５０１で取得した運転者の操作情報に基づき理論車両応答を求めるとともに、ステップＳ５０２で取得した車両運動情報（車載センサ情報）に基づき実車両応答を求め、更に、理論車両応答と実車両応答との差分を求める。
そして、操舵制御装置３０は、ステップＳ５０４で、理論車両応答と実車両応答との差分に基づき、トレーラ外力（ヒッチ部１９にトレーラ５０側から加わり車両１０に伝わる力Ｆh）を求める。

また、操舵制御装置３０は、ステップＳ５０５で、外界認識センサ１８によって、車両１０に対するトレーラ５０の相対位置の情報を取得する。
そして、操舵制御装置３０は、ステップＳ５０６で、ステップＳ５０４で求めたトレーラ外力、車両１０とトレーラ５０との相対位置に基づき、トレーラ５０のヨーレートなどのトレーラ状態を推定する。

次に、操舵制御装置３０は、ステップＳ５０７で、車両１０のヨーレートとトレーラ５０のヨーレートの差分を求め、差分の絶対値が閾値を超えているか否かを判断する。
ここで、車両１０のヨーレートとトレーラ５０のヨーレートとの差分の絶対値が閾値を超えていない場合、操舵制御装置３０は、ステップＳ５０１に戻り、トレーラ安定化制御を実施しない。

一方、車両１０のヨーレートとトレーラ５０のヨーレートとの差分の絶対値が閾値を超えていて、連結車の安定性を向上させるためにトレーラ５０のヨー運動を抑制する必要がある場合、操舵制御装置３０は、ステップＳ５０８で、トレーラ５０のヨー運動を抑制するためのヒッチ力（トレーラ運動補償ヒッチ力）を求める。
次いで、操舵制御装置３０は、ステップＳ５０９に進み、ステップＳ５０８で求めたヒッチ力を発生させるための目標後輪操舵角δrを求める。

そして、操舵制御装置３０は、ステップＳ５１０に進み、ステップＳ５０９で求めた目標後輪操舵角δrに基づき後輪操舵装置１６（操舵アクチュエータ）を制御する。
操舵制御装置３０は、係る後輪操舵制御によって、車両１０のヨーレートとトレーラ５０のヨーレートとの差が小さくなるようにトレーラ５０の運動を制御する。

図７は、操舵制御装置３０がトレーラ安定化制御を実施するときのヨーレートや後輪操舵角の変化を例示するタイムチャートである。
車両１０の運転者が操舵を行って前輪操舵角δfが変化すると、操舵制御装置３０が車速や車両諸元に基づき算出する車両１０単体での理論車両ヨーレート（理論車両応答）が前輪操舵角δfの変化に応じて応答変化する。

ここで、車両１０にトレーラ５０を連結している場合、車両１０の実際のヨーレートは、車両１０がトレーラ５０からの外力（トレーラ外力）を受けることで、理論車両ヨーレートとは異なる挙動を示し、トレーラ５０が横揺れ運動すると、トレーラ外力が周期的に変動することで、車両１０の実際のヨーレートも周期的に変動する。
このとき、操舵制御装置３０が求めるトレーラ５０のヨーレートの推定値は、トレーラ外力に応じた変動を示す。

ここで、操舵制御装置３０は、理論車両ヨーレートと推定トレーラヨーレートの差分を求め、差分が閾値を超えるときに、横揺れ運動に対して逆位相となる周期的なヨーモーメントを発生させる後輪操舵角の指令を出力する。
係る後輪操舵制御によって、トレーラ５０のヨーレートが安定化する。

操舵制御装置３０によるトレーラ安定化制御では、後輪１２，１２の操舵角を制御するから、トレーラ安定化制御に伴って車両１０の速度が変化することを抑制できる。
また、後輪操舵角の制御によって発生させることができるヨーモーメントは、自動ブレーキによって発生させることができるヨーモーメントよりも大きいから、自動ブレーキでヨーモーメントを発生させる場合よりも、より大型のトレーラ５０を連結した車両１０で走行を安定化させることが可能となる。

上記実施形態で説明した各技術的思想は、矛盾が生じない限りにおいて、適宜組み合わせて使用することができる。
また、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。

トレーラ安定化制御システムは、操舵制御装置３０による後輪操舵制御及び自動ブレーキ制御によって、トレーラ５０のヨー運動を抑制することができる。そして、トレーラ安定化制御システムは、操舵制御装置３０による後輪操舵制御で発生させることができるヨーモーメントではトレーラ５０のヨー運動の抑制に不十分であるときに、自動ブレーキによって発生させるヨーモーメントを付加することできる。

１０…車両、１１，１１…前輪、１２，１２…後輪、１４…前輪操舵装置、１６…後輪操舵装置、１８…外界認識センサ、１９…ヒッチ部、３０…操舵制御装置

Claims (6)

1. トレーラを牽引する車両の操舵制御装置であって、
   前記トレーラのヨー運動に関する情報を取得し、
   取得した前記トレーラのヨー運動に関する情報に基づき、前記トレーラのヨー運動に対して逆位相となる周期的なヨーモーメントを発生させる指令を前記車両の後輪の操舵角を制御する後輪操舵装置に出力する、
   操舵制御装置。
2. 請求項１に記載の操舵制御装置であって、
   前記車両と前記トレーラとを連結するヒッチ部に加わる前記トレーラの外力と、外界認識部で取得された前記車両の外界に関する情報と、に基づき前記トレーラのヨー運動を求める、
   操舵制御装置。
3. 請求項２に記載の操舵制御装置であって、
   前記車両単体でのヨーレートと、前記車両および前記トレーラを含む連結車のヨーレートとに基づき前記トレーラの外力を求める、
   操舵制御装置。
4. 請求項１に記載の操舵制御装置であって、
   前記トレーラのヨー運動に対して逆位相となる周期的なヨーモーメントを、前記車両と前記トレーラとを連結するヒッチ部の力で発生させる、
   操舵制御装置。
5. トレーラを牽引する車両に搭載される操舵制御装置が実行する操舵制御方法であって、
   前記トレーラのヨー運動に関する情報を取得し、
   取得した前記トレーラのヨー運動に関する情報に基づき、前記トレーラのヨー運動に対して逆位相となる周期的なヨーモーメントを発生させる指令を前記車両の後輪の操舵角を制御する後輪操舵装置に出力する、
   操舵制御方法。
6. トレーラを牽引する車両の操舵制御システムであって、
   前記車両の運動状態に関する情報を取得する車両運動状態取得部と、
   前記車両の外界に関する情報を取得する外界認識部と、
   前記車両運動状態取得部によって取得された前記車両の運動状態に関する情報と、前記外界認識部によって取得された前記車両の外界に関する情報と、に基づき求められた前記トレーラのヨー運動に関する情報を取得し、
   取得した前記トレーラのヨー運動に関する情報に基づき、前記トレーラのヨー運動に対して逆位相となる周期的なヨーモーメントを発生させる指令を出力する操舵制御部と、
   前記操舵制御部より出力された前記指令を取得し前記車両の後輪の操舵角を制御する後輪操舵装置と、
   を備える操舵制御システム。

Images