JP2005088860A

JP2005088860A - 操舵制御装置

Info

Publication number: JP2005088860A
Application number: JP2003328988A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Kanbe; 隆宏神戸
Original assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】運転者がステアリングを放してから警報が発せられるまでの間、安定した操舵アシスト制御を達成可能な操舵制御装置を提供すること。
【解決手段】走行路検出手段を用いて走行路形状に応じた操舵アシストトルクを付与可能な操舵制御装置において、操作判断手段によって運転者がステアリングを操作していないと判断されたときは、少なくとも走行路の中央付近走行時には、運転者がステアリングを操作しているときよりも、操舵アシストトルクを増加補正することとした。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両用の操舵制御装置に関し、特に走行路検出手段を用いて走行路形状に応じた操舵アシストトルクを付与可能な操舵制御装置に関する。

従来、車両用操舵制御装置として、例えば特許文献１に記載の技術が知られている。この公報には、ＣＣＤカメラを通じて得た道路区分線に沿って車両を走行させるように操舵トルクをアシストするものにおいて、運転者がステアリングを握っていないか否かを判断し、握っていないと判断されるときは警報を発し、操舵トルクのアシスト量を減少させている。
特開平１１−７８９５３号公報。

しかしながら、特許文献１に記載の操舵制御装置にあっては、運転者がステアリングを放してから警報が発せられるまでの間は、操向制御手段による制御が抑制されるのみであるため、車両の挙動を十分に安定させられないといった問題があった。

本発明は、上述の問題点に着目してなされたもので、運転者がステアリングを放してから警報が発せられるまでの間、安定した操舵アシスト制御を達成可能な操舵制御装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため本願発明では、操作判断手段によって運転者がステアリングを操作していないと判断されたときは、少なくとも走行路の中央付近走行時には、運転者がステアリングを操作しているときよりも、操舵アシストトルクを増加補正することとした。

よって、運転者がステアリングから手を放した状態で、車両の走行による慣性や、横風等の外乱の影響を受けたとしても、操舵アシストトルクが増加補正されるため、安定した操舵アシスト制御を達成することができる。

以下、本発明の車両用の操舵制御装置を実現する最良の形態を、図面に示す実施例１に基づいて説明する。

図１は本発明の実施例１におけるレーンキープ制御装置の全体構成を表すシステム図である。

パワーステアリング機構５は、電動モータ６の回転をステアリングシャフト２に設けられた減速機構に伝達する。運転者がステアリングホイール１を操作すると、操作方向に応じて電動モータ６の回転方向が切り換えられ、運転者の操舵力をアシストする。

ステアリングシャフト２には、運転者の操舵トルクを検出するトルクセンサ１２が設けられている。

コントロールユニット１０には、トルクセンサ１２からの操舵トルク信号、車速センサ１３からの車速信号、カメラ１４からの撮像画像、電動モータ６の電流値等から操舵速度を推定する操舵速度推定手段１５からの操舵速度が入力される。この入力された信号に基づいて、警報手段８及び電動モータ６へ指令信号を出力する。

図２はコントロールユニット１０内の構成を表すブロック図である。
状態推定手段１０１では、カメラ１４の撮像画像に基づいて車両状態量を推定する。予測変位算出手段１０２では、状態推定手段１０１により推定された車両状態量、及び車速検出手段１３により検出された車速に基づいて、前方T秒後における予測変位を演算する。詳細については後述する。

非介入時補正量算出手段１０３では、車両状態量，予測変位量に基づいて、操舵非介入時の自車変位補正量演算を行う。詳細については後述する。

操舵介入度判定手段１０４では、操舵トルク，操舵トルク微分値，操舵速度推定値，アシストトルク指令量前回値に基づいて、運転者の操舵介入度K_handを無次元化して出力する。また、操舵介入が一定期間以上行われない場合や、急操舵と判断される場合は警報発生処理及びアシストトルクの停止処理を行う。

指令トルク算出手段１０５では、保舵時の予測変位w_T，非介入時補正量wh_t，手放し判定係数k_hand，操舵トルク停止係数k_stopに基づいて操舵アシストトルク指令値を演算する。図３は保舵時の予測変位w_Tに対するアシストトルク量を表すマップである。図３に示すように、走行路の中心線からの変位が大きい程、中心線へ向かうアシストトルク量が大きく、中心線近傍ではアシストトルク量は小さく設定されている。

駆動制御手段１０６では、指令トルク算出手段１０５の指令信号に基づいて、電動モータ６が所望のアシストトルクを出力するようにフィードバック制御等によって制御する。

〔車両状態推定に基づく予測変位演算論理〕
状態推定手段１０１及び予測変位算出手段１０２について、図４のモデルを用いて説明する。カメラの撮像画像より車両前方注視点L_a,L_b,L_cにおけるレーン中央からの横変位w_a,w_b,w_cの離散データが求まれば、このうちの２点を用いて対レーンヨー角φ_ab，車両横変位w_0abは以下のように表される。
ヨー角φ_abを表す式は、
（式１）
φ_ab＝tan^-1{(w_b-w_a)/(L_b-L_a)}
と表される。一般にこのヨー角は微少なため、上記式（１）は、
（式２）
φ_ab＝ (w_b-w_a)/(L_b-L_a)
と表される。
車両横変位w_0abを表す式は、
（式３）
w_0ab＝w_a-φ_ab・L_a
と表される。

直進路においては注視点変位データのいずれの組み合わせを用いても式（２），（３）の値は同一であるが、曲線路においては組み合わせにより推定結果は異なり、いずれも真値とは一致しない。言い換えれば、予測横変位の誤差量より道路曲率ρが導出可能である。

まず、道路曲率ρは十分小さく、φ＝０，ＸＹ座標原点にある車両を仮定すると、前方注視点L_aにおけるρによる前方注視点変位w_aは近似表現として、
（式４）
w_a＝(-ρL_a ²)/2
と二次曲線で表される。

ここで、任意の前方注視点Lc，Ldを用いた車両横変位推定値w_0cdは、
（式５）
w_0cd＝w_c-{(w_d-w_c)/(L_d-L_c)}・L_c

＝ρ/2（L_c・L_d）
と表される。
同様に、L_a，L_bよりw_0abは、
w_0ab＝ρ/2（L_a・L_b）
と表される。

式（５）-式（６）より、車両横変位推定値偏差の１次関数としてρは、
ρ＝{2/(L_c・L_d-L_a・L_b)}・(w_0cd-w_0ab)
と表される。

次に、任意２点によるヨー角推定値φ_abは、ヨー角φに曲率ρが作り出す誤差成分φ_ρが加わったものと考えられるため、
（式８）
φ_ab＝φ_ρ＋φ
と表される。

φ_ρは、式（２）と式（４）より、
（式９）
φ_ρ＝-ρ/2（L_a＋L_b）
と表される。
これにより対レーンヨー角φは、
（式１０）
φ＝φ_ab＋ρ/2（L_a＋L_b）
と表される。

車両横変位推定値w_0abは、車両横変位y₀に曲率による誤差成分w_0ρが加わったものであるから、
（式１１）
w_0ab＝y₀＋w_0ρ
と表される。

式（３）に式（４）を代入すると、w_0ρが得られ、式（１１）は以下の通りまとめられる。
（式１２）
y₀＝w_0ab-ρ/2（L_a・L_b）

また、以上の関係式から、T秒後における車両横変位w_Tは、式(7),(10),(12)により求められら車両状態推定値から、幾何学的に、
（式１３）
w_T＝y₀＋φ・Vx・T-{ρ(T・Vx)²/2}
と表される。

式（１３）の第二項におけるT，及び第三項におけるTは、それぞれゲインとして設定する（どの程度前方の位置の横変位を推定するかを表す）ことが可能である。本実施例では、第二項におけるTを車線維持用時間関数T_ST（ヨー角ゲインに相当）とし、第三項におけるTをカーブ通過用時定数T_CV（曲率ゲインに相当）とすることで、制御特性の調整を行うことができるようにしている。

〔レーンキープ制御において運転者が手放しを行った場合〕
ここで、レーンキープ制御中に運転者が手放しを行った場合の車両の動作について説明する。図８（ａ）は本実施例において補正を加えない場合における操舵非介入時の車両の動作を表す図である。位置４０１において、車両が車線左端におり、レーンキープ制御によって車線中央へ向かう操舵力が働く。このとき、運転者がステアリングホイール１から手を放した場合を想定する。車両は右に向きを変え、車線中央に近づくと、右向きの操舵力は徐々に小さくなり、位置４０２において指令トルクは０となる。

位置４０２〜４０３において、左向きの操舵力が発生し、操舵力は徐々に大きくなるが、図３の横変位に対するアシストトルクマップで説明したように、車線中央付近はアシストトルクは０またはゲインを小さめに設定する。よって、小さな指令値では、タイヤやラックのフリクション、アクチュエータ（電動モータ６）のイナーシャ分を補完できず、車両の向きはほとんど変化しない。よって、車両はそのまま車線中央のラインを越えてしまう。

位置４０３〜４０４において、アシストトルク指令値が大きくなると、上述したフリクションやイナーシャ分に打ち勝って車両は向きを変え始める。しかしながら、ヨー角が０になる時点では、大きな横変位（位置４０４）が発生している。このとき、当初の位置４０１における横変位量と位置４０４における横変位量とは同じ程度になってしまい、上記動作を繰り返すことによって、車線中央へは収束しない。

そこで、運転者が手放しを行った場合は、警報手段８により運転者に警報するとともにレーンキープ制御を停止するまでの間、アシストトルク指令値を補正することで、上記課題を解決するに至った。

（手放し時におけるアシストトルク指令値補正論理）
上述の予測変位演算論理において説明したように、式（１３）で示す第三項はカーブ通過用のゲインを決定する項に相当し、カーブ通過に必要なアシスト指令トルクは運転者の操舵介入度によらず一定と考えられる（曲率と車速で一義的に求まる）。すなわち、操舵介入度に応じて補正する対象は、次式に示す横変位成分とヨー角成分の和w_STである。
（式１４）
w_ST＝y₀＋φ・Vx・T_ST
以下、この手放し補正用予測変位量w_STを用いて説明する。

（非介入時補正量算出処理）
図５は非介入時補正量算出手段１０３における補正量算出処理を表すフローチャートである。
ステップ５０１では、手放し補正用予測変位量w_STおよび状態推定量y₀を読み込む。

ステップ５０２では、w_STの微分演算（dw_ST/dt）を行う。

ステップ５０３では、補正量調整ゲインK_hoseiの算出を行う。ここで、K_hoseiは予測変位量w_STや、状態推定量y₀を参照して決定される。すなわち、本処理において、現在の車両状態を推定し、手放し補正が必要な状況か否かを判断する。この判断としては種々の方法があり、以下のその方法を示す。

〔方法１〕w_STが増加傾向にないとき、すなわち前回の制御周期に対するw_STに対する今回の制御周期のw_STの比が１未満のときは、K_hoseiを減少させる。すなわち、車両が車線端へ向かっているときは補正量調整ゲインK_hoseiを大きくし、車線中央すなわち安定方向へ向かっている際には補正量調整ゲインK_hoseiを小さくすることで、手放し時の車線中央維持性能の向上を図ることができる。

〔方法２〕横変位量と補正用予測変位量の積（y₀・w_ST）の符合が正のときはK_hoseiを減少させる。言い換えると、前記積の符合が負のときは補正用予測変位量は大きく補正される。すなわち、この積の符合が負のときとは、車両が現在位置している横変位と補正用予測変位とが車線中央を介して対向する位置となる。車線中央では上述したフリクションやイナーシャ分に打ち勝って車両の向きを変える必要がある。よって、予測変位の補正量を大きくし、アシストトルク指令値を大きくすることで車線中央維持性能の向上を図ることができる。一方、前記積の符合が正のときは車線中央に向かって変位させる必要があるため、K_hoseiを減少させることで、車線中央への素早く移行させることができる。

〔方法３〕w_STの絶対値による制限を設け、絶対値大時はK_hoseiを減少させる。w_STの絶対値が大きいときは、大きなアシストトルク指令値が出力されるため、この場合には特に補正は要求しないよう構成することで、車線中央維持性能の向上を図ることができる。

ステップ５０４では、ステップ５０２，５０３より手放し補正量を下記式（１５）により算出する。
（式１５）
wh_t＝K_hosei（dw_ST/dt）
このように、予測変位量の微分値を用いて演算する理由について説明する。車両が車線端に位置するときには、車両が車線中央へ向かう前段階であり、予測変位量の変化は少ない。ただし、横変位量が大きいため運転者が手放しをしたとしても十分なアシストトルクが得られている状態である。

これに対し、車両が車線中央に向かい始めると、車両のヨー角が大きくなり、予測変位量の変化が大きくなる（すなわち予測変位量の微分値が大きくなる）。ただし、横変位量は小さくなるためアシストトルクが十分に得られているとは言い難い。このとき運転者が手放しをすると十分なアシストトルクが得られない可能性がある。そこで、補正用予測変位を大きく補正することで、十分なアシストトルクを得ることができる。また、予測変位量の微分値を用いているため、車線中央付近における操舵方向の切り返しタイミングを保舵時に対して早めることが可能となり、手放し時の車線中央維持性能の向上を図ることができる。

尚、手放し補正量の演算については、上記微分値を用いた演算以外の方法として、予測変位算出位置を遠方にずらした下記式（１６）を用いてもよい。
（式１６）
wht＝φ・Vx・K_hosei
このように、予測変位算出位置を遠方にずらすことで、ロバスト性（制御安定性）を高める構成としてもよい。

もしくは、w_STの絶対値を参照し、w_ST絶対値が大きいときはw_STを小さくするような補正ゲインK_gensyo（０〜１の定数）を別途設定した下記式（１７）を用いてもよい。
（式１７）
wh_t＝−K_gensyo・w_ST
上記式（１５）において説明したようにw_STの位置が車線端にある場合には補正用予測変位を小さくすることで車線中央維持性能の向上を図ることができる。

尚、上記式（１７）については、他の補正量算出式と組み合わせてもよく、例えば式（１５）と組み合わせて、下記式（１８）としてもよい。
（式１８）
wh_t＝K_hosei・（dw_ST/dt）−K_gensyo・w_ST

ステップ５０５では、補正量リミッタ処理を行う。このリミッタ処理とは、外乱等の入力によって大きすぎる補正量が演算された場合を排除する処理である。

（操舵介入度判定処理）
図６は操舵介入度判定手段１０４における操舵介入度判定処理を表すフローチャートである。
ステップ６０１では、操舵速度推定値，操舵トルク及び指令トルク（前回値）を読み込む。

ステップ６０２では、操舵トルクの微分演算処理（操舵トルク速度の算出）を実行する。

ステップ６０３では、操舵速度推定値のハイパスフィルタ処理を実行する。

ステップ６０４では、操舵トルクと前回の指令トルクから、操舵トルク補正処理を実行する。すなわち、カーブ通過中や横変位大時などは手放し運転時においても、アクチュエータ反力成分の影響により操舵トルクが発生する。この処理を行うことにより、レーンキープ作動による操舵トルクの中点ずれを補正し、より正確な手放し判定を可能としている。

ステップ６０５では、操舵速度推定値，操舵トルク速度，補正された操舵トルクに基づいて手放し運転判断を行う。具体的には、補正された操舵トルクの絶対値が閾値以下、かつ、操舵トルク速度の絶対値が閾値以下、かつ、操舵速度推定値の絶対値が閾値以下のときは、手放し運転と判断する。手放し運転と判断したときはステップ６０７に進み、手放し判定定数K_handを１にセットし、手放し運転ではないと判断したときはステップ６１１に進み、手放し判定定数K_handを０にセットする。尚、手放し判定定数Khandは、手放し時：０，保舵時：１のようにデジタル化してもよいし、操舵介入具合に応じて滑らかに変化させてもよい。

ステップ６０８では、手放し時間をカウントするカウンタＣ１のカウントアップを開始する。

ステップ６０９では、カウンタ値Ｃ１が所定値１よりも大きいかどうかを判断し、大きいときはステップ６１３に進み、それ以外はステップ６１０へ進む。

ステップ６１０では、アシストトルク停止係数K_stopを１にセットする。

ステップ６１２では、急操舵状態かどうかを判断する。具体的には、補正された操舵トルクの絶対値が閾値以上、もしくは、操舵トルク速度の絶対値が閾値以上、もしくは操舵速度の絶対値が閾値以上である。急操舵状態と判断したときはステップ６１３に進み警報発生フラグをONにするとともにステップ６１４においてアシストトルク停止係数K_stopを０にセットする。また、急操舵状態ではないと判断したときはステップ６１５に進み、アシストトルク停止係数K_stopを１にセットする。

（指令トルク算出処理）
次に、指令トルク算出手段１０５における指令トルク算出処理について説明する。図７は指令トルク算出処理を表すフローチャートである。
ステップ７０１では、w_T，wh_t，K_hand，K_stopを読み込む。

ステップ７０２では、K_stopが１→０に変化したかどうかを判断し、変化したときはステップ７０３に進み、それ以外はステップ７０７へ進む。

ステップ７０３では、カウンタＣ２のカウントアップを開始する。

〔保舵復帰ディレイ処理〕

ステップ７０４では、カウンタ値が所定値２よりも大きいかどうかを判断し、大きいときはステップ７０５へ進み、復帰ディレイ係数Ｇを０にセットする。それ以外はステップ７０６に進み、復帰ディレイ係数Ｇを１にセットする。そして、ステップ７０７においてK_stopに復帰ディレイ係数Ｇを掛けた値を出力する。すなわち、操舵アシストトルク停止処理が一旦行われると、例え通常保舵状態に復帰しても、一定期間内は操舵アシストトルクを発生させないようにすることで、運転者の操舵フィーリングを向上する。

ステップ７０８，７０９では、変化速度規制処理を実行する。この変化速度規制処理とは、K_hand，K_stopそれぞれの係数が０から１に急激に変化すると、算出される指令トルクが急変する虞があるため、変化量を規制する。例えば一時遅れ関数等を設定し、適宜時定数を設定すればよい。

ステップ７１０では、操舵アシストトルクを下記式（１９）により算出する。尚、算出された指令トルクはステップ７１１においてリミッタ処理を施した後に駆動制御手段１０６に出力されるものとする。
（式１９）
Ｔ＝Ｋ・K_stop・（w_T＋K_hand・wh_t）
ここで、Ｔは指令トルク，Ｋはトルクゲインである。

図８（ｂ）は上述の手放し時におけるアシストトルク指令値補正処理を適用した場合の車両の動きを表す図である。位置４０５において車線左端におり、車線中央へ向かう操舵力が働く。ここで手放しを行うものとする。車両は右へ方向を変え、右向きの操舵力は徐々に小さくなる。

位置４０６において、補正なし時に比べると右向きの操舵力減少率は微分制御によって大きくなり、結果的に予測変位量は右向きであるものの、微分補正量の作用によって左向きの操舵力が働く。

位置４０７において、左向きの操舵力によりヨー角が０となった際の横変位は限りなく０に近い。位置４０８において、車線中央付近を走行中はほとんど操舵力は発生しないが微分制御作用により横風外乱等による対応は保舵時よりも素早く対応することができる。よって、車両の走行安定性を高めることができる。

更に、上記実施例から把握しうる請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。

（イ）請求項１に記載の操舵制御装置において、
前記サンプルデータ取り込み手段により取り込まれたサンプルデータに基づいて、自車両の走行路中央からの横変位量を推定する変位量推定手段と、前記変位量推定手段により推定された横変位量を微分した値に基づいて前記変位量推定値を補正する変位量推定値補正手段を設け、
前記操舵アシストトルク補正手段を、前記変位量推定値補正手段により補正された横変位量推定値に基づいて補正する手段としたことを特徴とする操舵制御装置。

すなわち、車両が車線端に位置するときには、車両が車線中央へ向かう前段階であり、変位量推定値の変化は少ない。ただし、横変位量が大きいため運転者が手放しをしたとしても十分なアシストトルクが得られている状態である。これに対し、車両が車線中央に向かい始めると、車両のヨー角が大きくなり、変位量推定値の変化が大きくなる（すなわち変位量推定値の微分値が大きくなる）。ただし、横変位量は小さくなるためアシストトルクが十分に得られているとは言い難い。このとき運転者が手放しをすると十分なアシストトルクが得られない可能性がある。そこで、変位量推定値を大きく補正することで、十分なアシストトルクを得ることができる。また、予測変位量の微分値を用いているため、車線中央付近における操舵方向の切り返しタイミングを保舵時に対して早めることが可能となり、手放し時の車線中央維持性能の向上を図ることができる。また、横変位量の減少に伴い、アシストトルクを徐々に増加補正するようにしてもよい。

（ロ）上記（イ）に記載の操舵制御装置において、
前記操舵アシストトルク補正手段は、少なくとも車線端付近走行時においては、運転者がステアリング操作しているときよりも、操舵アシストトルクを減少補正する手段としたことを特徴とする操舵制御装置。

レーンキープ制御においては、通常車両が車線端付近を走行しているときには操舵アシストトルクは最大となる。しかしながら、このとき運転者がステアリングから手を放すと、この操舵アシストトルクによって急激に車両が挙動変化を起こす虞がある。そこで、車線端付近走行時には操舵アシストトルクを減少補正することで車両の走行安定性を向上することができる。

（ハ）請求項１または上記（イ）または上記（ロ）いずれかに記載の操舵制御装置において、
運転者の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段を設け、
前記操舵アシストトルク演算手段は、前記走行路形状推定手段によって推定された走行路形状及び操舵トルク検出手段によって検出された操舵トルクに基づいて操舵アシストトルクを演算する手段としたことを特徴とする操舵制御装置。

よって、運転者の操舵トルクを考慮した操舵アシストトルクを演算することが可能となり、操舵フィーリングの向上を図ることができる。

実施例１では、レーンキープトルク制御について説明したが、カメラ等の撮像画像に基づいて道路曲率や車両の状態推定量を用いて制御するものであれば、適用可能である。例えば車線逸脱警報制御，車両安定性向上制御等においても、同様の作用効果を奏することは言うまでもない。

実施例１における操舵制御装置の全体構成を表す概略図である。実施例１における制御構成を表すブロック図である。実施例１における横変位量に対する操舵アシストトルク量を表すマップである。実施例１における車両状態推定論理を表す概略説明図である。実施例１における非介入時補正量算出処理を表すフローチャートである。実施例１における操舵介入度判定処理を表すフローチャートである。実施例１における指令トルク算出処理を表すフローチャートである。非介入時補正処理の有無による車両の動きを表すタイムチャートである。

符号の説明

１ステアリングホイール
２ステアリングシャフト
３ギア機構
５パワーステアリング機構
６電動モータ
７操舵輪
１０コントロールユニット
１２操舵トルクセンサ
１３車速センサ
１４カメラ

Claims

車両の操舵輪を転舵するアクチュエータを有する操舵制御装置において、
車両前方の走行路を画像データとして検出する走行路検出手段と、
前記走行路検出手段によって検出された画像データから、車両前方の走行路情報をサンプルデータとして取り込むサンプルデータ取り込み手段と、
前記サンプルデータ取り込み手段によって取り込まれたサンプルデータに基づき、車両前方の走行路形状を推定する走行路形状推定手段と、
前記走行路形状推定手段により推定された車両前方の推定走行路形状に基づいて、操舵アシストトルクを演算する操舵アシストトルク演算手段と、
前記操舵アシストトルク演算手段によって演算された操舵アシストトルクに基づいて、前記アクチュエータを駆動制御する駆動制御手段と、
運転者がステアリングを操作しているかどうかを判断する操作判断手段と、
前記操作判断手段によって運転者がステアリングを操作していないと判断されたときは、少なくとも走行路の中央付近走行時には、運転者がステアリングを操作しているときよりも、操舵アシストトルクを増加補正する操舵アシストトルク補正手段と、
を備えたことを特徴とする操舵制御装置。