JP2008044561A - 車線追従制御装置およびこれを搭載した自動車 - Google Patents
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Abstract
車線追従制御装置作動中のドライバによる車線変更操作時に、違和感を感じさせないように適切なタイミングで車線追従制御動作を解除し、かつ車線変更時における車両走行安定性を確保する。
【解決手段】
車線追従制御装置1において、操舵角δを取得し当該操舵角の時間変化状態が所定条件に該当するか否かを検出し、当該操舵角の時間変化状態が車線変更操作によるものか否かを判断する運転モード判断部11と、運転モード判断部11が操舵角の時間変化状態が車線変更操作によらないものと判断したときは車線追従制御用の目標ヨーレートγcを生成し、運転モード判断部11が前記操舵角の時間変化状態が車線変更操作によるものと判断したきは車線変更制御用の目標ヨーレートγδを生成する制御部12と、少なくとも制御部12により取得した目標ヨーレートを制御パラメータとする車両制御信号Mを生成する車両運転制御部13とを備える。
【選択図】 図1
Description
(1) ヨーレートを制御情報のひとつとして車線追従制御を行う車線追従制御装置において、
操舵角および/または操舵角速度から、現在、車両が車線追従モード下にあるのか、車線変更モード下にあるのか、あるいは、前記車線追従モードまたは前記車線変更モードの一方から他方に遷移する途中の中間モード下にあるのかを判断する運転モード判断部と、
前記運転モード判断部が前記各モードを判定した際に、各モードに対応した制御を行う制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記運転モード判断部が前記車両が前記車線追従モード下にあると判断したときは車線追従運転用のヨーモーメントまたは横方向付勢力の制御信号を生成し、
前記運転モード判断部が前記車両が前記車線変更モード下にあると判断したときは、制御信号を発生せず、または車線変更運転用のヨーモーメントまたは横方向付勢力の制御信号を生成し、
前記運転モード判断部が前記車両が前記中間モード下にあると判断した場合において、直前に前記車線追従運転用の前記制御信号を生成しているときは当該車線追従運転用の制御信号を、直前に前記車線変更運転用の前記制御信号を生成しているときは当該車線変更運転用の制御信号を生成する、
ことを特徴とする車線追従制御装置。
(4) (1)から(3)に記載の車線追従制御装置を搭載した自動車であって、後部側または前部側の左右両輪または全輪にそれぞれ独立に駆動されるモータを備え、前記制御部は前記モータを制御することを特徴とする自動車。たとえば、全輪に独立に駆動されるモータを備えている場合、前記制御部はまたは後輪の何れかの左右両輪のモータを制御するようにできる。
また、車線追従制御と車線変更操作との干渉がなくなるので、車線変更意図のあるドライバに操舵中に違和感を感じさせることがない。
さらに、車線変更中には横滑り零化制御に切替えることで、急な車線変更に対して車両が安定して走行することが可能となる。
車線追従制御用ヨーレート生成手段121は、運転モード判断部11が、自動車5が車線追従モードS1下にあると判断したときは、車線追従制御用ヨーレートγδを生成する。
さらに、制御部12は、運転モード判断部11が、自動車5が中間モードS2下にあると判断した場合において、直前に車線追従制御用ヨーレートγδを生成してしているときは当該車線追従制御用ヨーレートγδを、直前に車線変更制御用ヨーレートγcを生成してしているときは当該車線変更制御用ヨーレートγcを生成する。
たとえば、運転モード判断部11は、操舵角δの時間変化を取得し、操舵角δの時間変化状態が所定条件に該当するか否かを判断する。典型的には、「操舵角δの時間変化状態」は、操舵角速度dδ/dtであるが、これには限定されず、たとえばd2δ/dt2等を含むことができる。
これにより、ドライバの車線変更意図を推測することができる。
すなわち、運転モード判断部11は、走行モードとして、(a)車線追従モードS1、(b)中間モードS2および(c)車線変更モードS3の3つを設定しており、現在どのモードにあるかの確率を可観測な出力シンボルηに基づき隠れマルコフモデルにより決定することができる。
この場合には、出力シンボルを、操舵角δおよび操舵角速度dδ/dtにより決定することができる。
γc(t)=−(2V/lc 2)ysr・・・(1)
V:車体速度,lc:カメラの前方注視距離,ysr:前方横偏差
図2における第2の目標ヨーレートγδ(s)は、車体横滑り角零化のための目標ヨーレートであり、一次遅れ式(2)により計算される。なお、本実施形態で用いている第2の目標ヨーレートγδ(s)は、定常時の横滑り角を零化するものではない。
γδ(s)=〔k/(τ0s+1)〕×δsw(s)・・・(2)
δsw:操舵角,k:ヨーレートゲイン,τ0:時定数,s:ラプラス演算子,
k:2CfV/〔mV2+2(lfCf−lrCr)〕×(1/N),
τ0:IV/2(Cflf 2+Crlr 2)
なお、mは車体重量、Iは車体の完成モーメント、Cf,Crは前輪,後輪のコーナリングパワー、lf,lrは重心点から前輪,後輪までの長さ、Nはステアリングギア比である。式(1),(2)に示す目標ヨーレートに重み係数をかけて、式(3)に従い切り替える。
γd(t)=w(t)・γc(t)+〔1−w(t)〕×γδ(t)・・・(3)
重み係数は、ドライバの運転行動により決定することとし、その認識手法については後述する。
M(s)=〔s2−(a11+a22)s+a11×a22−a12×a21〕
/〔(h2s+a21h1−a11h2)(τs+1)〕×γd(s)
−〔h2s+a211-a11h2)/(b2s+a21b1-a11b2)〕×δf(s)
・・・(4)
a11=−2(Cf+Cr)/mV,
a12=−〔1+(2Cflf−2Crlr)/mV2〕,
a21=−2(Cflf−Crlr)/I,
a22=−2(Cflf 2+Crlr 2)/IV,
b1=0,b2=1/I,h1=2Cflf/mV,h2=2Cflf/I
δfは前輪実舵角であるが、直接計算できないため、ドライバ操舵角を利用し、式(5)より求める。
δf=δsw/N・・・(5)
〔左輪の駆動力〕 Fxrl=Fx0−M/d・・・(6)
〔右輪の駆動力〕 Fxrr=Fx0+M/d・・・(7)
d:後輪のトレッド
上記の駆動力は、左右輪それぞれのインホイールモータトルクにより発生させる。モータの減速機構により伝達ロスや車輪のスリップを無視すれば、左右の駆動トルク指令値は式(8),式(9)のようになる。
〔左輪の駆動トルク〕 Tml=Fxrl×rw・・・(8)
〔右輪の駆動トルク〕 Tmr=Fxrr×rw・・・(9)
rw:タイヤの有効半径
ドライバの運転行動認識手段として、隠れマルコフモデルを用いた運転制御を説明する。
隠れマルコフモデルは時系列データに基づ確立モデルであり、一般的な行動認識手法である。
これを用いることで、ドライバの車線変更行動を認識することができる。
これらのドライバの運転状態は観測可能な状態(可視状態)にないため、これらの運転状態を可視のシンボルηdに置き換えることで、現在の運転状態を推定することとする。
可視のシンボルηdはドライバの操舵角と操舵角速度により決定することとし、そのために、図4(A),(B)に示すようなメンバシップ関数を設定し、これを用いて出力シンボルηdを決定する。
図4(A),(B)のメンバシップ関数の閾値はδ1=0.25rad,δ2=0.5rad,dδ1/dt=1.0rad/sec,dδ2/dt=2.0rad/secである。
このメンバシップ関数を用いることで、あるステップ時間tnにおいて、操舵角δ、操舵角速度dδ/dtからそれぞれ3つの値μδl,μδ'm(l,m=1,2,3、なお、δ’はδの微分係数である)を得ることができる。次に、これらの値を式(10)に従い、9つの積Hk(k=1,2,・・・,9)を求める。最後に式(11)に従い、9つの積Hkの値が最大のものの添え字を時間tnにおける出力シンボルμδ'mの値とする。
Hk(tn)=μδl×μδ'm・・・(10)
μd(tn)=arg max[Hk(tn)] ・・・(11)
時間により変化する各状態は遷移確率<ay>(以下、明細書中では確率を三角括弧「<>」で示す)により変化し、出力シンボルは各状態から出力確率<by>によって出力される。これらの確率は状態遷移確率行列《Ay》(以下、明細書中では行列を二重三角括弧「《》」で示す)、出力確率行列《By》として、Baum−Welchのアルゴリズムを用いて学習させ、式(12)のように各出力シンボルに対応する出力分布確率《Bd》を設定する。
《Bd》(yd(tn))[3×3]=diag{<bj>yd(tn)}・・・(12)
まず、式(13)のような行列ベクトルを定義する。
《P》n|n[3×1] =[Pn|n(1) Pn|n(2) Pn|n(3)]T・・・(13)
ただし、Pn|n(i)は現在のステップ時間tnにおけるドラバの運転状態がSi(i=1,2,3)である確率であり、これらは以下に示す式(14),(15)に従い求めることができる。
《P》n|n-1[3×1]=《A》T [3×3]《P》n-1|n-1[3×1] ・・・(14)
《P》n|n[3×1]=《B》d(yd(tn))[3×3] 《P》n|n-1[3×1] }
/[111]《B》d(yd(tn))[3×3] 《P》n|n-1[3×1] ・・・(15)
以上の手法により、求めた値から、式(16),式(17),式(18)の規則に従い、ドライバの運転行動を決定する。認識結果を制御に適用するため、決定した運転行動をもとに前節で述べた切り替えシステムの重み係数をもとに前節で述べた切り替えシステムの重み係数を決定する。本実施形態では、車線変更行動であると認識されれば“0”、車線変更行動であると認識されなければ“1”を出力することとしている。
arg max{Pn|n(i)}=1のときは、w(tn)=1・・・(16)
arg max{Pn|n(i)}=3のときは、w(tn)=0・・・(17)
その他のときは、w(tn)=w(tn-1)
以上に述べた隠れマルコフモデルを用いた運転行動認識システムの有効性の検証を行った。システムを実車に実装し、図5に示すシングルレーンチェンジの走行実験を行い、ドライバの操舵角入力、操舵角速度入力により、車線追従、車線変更の行動認識アルゴリズムが有効であるかを検証した。結果を図6に示す。図6において、(A)はドライバの操舵角、(B)は操舵角速度、(C)は出力シンボル、(D)は行動認識出力を示す図である。
結果から、ドライバのハンドル操作後に行動認識出力が0になり、車線変更行動が認識されていることが確認できる。また、ドライバが車線変更を終え、ハンドル操作を終了した後は、行動認識出力が再び1への戻り、車線追従の運転意図を認識できていることからも、システムの有効性を確認できた。
シミュレーションの結果を図8,図9に示す。図8は切り替えシステムを適用せずに、車線追従制御のみで走行した場合の結果を示している。また、図9は本発明を適用した場合の結果を示す図である。
図8,図9において(A)は前方横偏差を、(B)は操舵角を、(C)は重み係数およびDYC入力を、(D)は実ヨーレートおよび目標ヨーレートを、(E)は横滑り角をそれぞれ示すグラフである。
また、車線追従制御のみの車両軌跡を図10に、行動認識システムを適用した制御の車両軌跡を図11に示す。
図8から、目標ヨーレートの切り替えを行わず、車線追従制御のみで走行した場合、車線変更時に、ドライバの行動に反するヨーモーメントが働き、初期の車線変更において、大きな操舵角が必要となることが確認できる。それに対して、提案したシステムは、図9より、車線変更の行動認識が行われていることが確認できる。それにより、車線変更中は、横滑り角零化のために、操舵角に応じた目標ヨーレートに切り替わり、実ヨーレートが目標ヨーレートに追従し、その結果横滑り角が抑えられる。さらに、図10、図11により、車線追従制御のみで走行した場合の車両軌跡は目標コースからの偏差が大きいのに対し、本発明のシステムは追従性能が上がっていることがわかる。
また、図14はドライバの操舵角速度、図15は車体横滑り角とドライバの操舵角によるリサージュ曲線である。図15のリサージュ曲線は、操舵角‐横滑り角線図上の面積が小さいほど、安定性が優れることを意味する。
図12により、目標ヨーレートの切り替えを行わない車線追従制御モードのみで走行した場合、車線変更中は元の車線に戻そうとするヨーモーメントが加わり、ドライバの操舵負担になっていることがわかる。
また、車線変更中には、図13より、車線変更中に重み係数が0に切り替わり、横滑り角零化制御に切り替わることで、ドライバの操舵入力に比例した目標ヨーレートが算出される。また、車線変更終了後、重み係数は再び1に戻っていることから、運転行動認識が行われていることが確認できた。
図14により、初期の車線変更において、本発明を適用したヨーモーメント制御は、操舵角速度が小さくなっており、緊急時において、ドライバの操舵角介入がしやすくなる。さらに、図15から、横滑り角が操舵角とともに同時に低減されており、車両の操縦安定性が工場いていることが確認でき、運転行動認識に基づくヨーモーメント制御システムの有効性が実車実験により実証できた。
5 車両
11 運転モード判断部
12 制御部
13 車両運動制御部
14 偏差検出部
101 ハンドル
102 前輪
103 後輪
121 車線追従制御用ヨーレート生成手段
122 車線変更制御用ヨーレート生成手段
123 切替え手段
Claims (5)
- ヨーレートを制御情報のひとつとして車線追従制御を行う車線追従制御装置において、
操舵角および/または操舵角速度から、現在、車両が車線追従モード下にあるのか、車線変更モード下にあるのか、あるいは、前記車線追従モードまたは前記車線変更モードの一方から他方に遷移する途中の中間モード下にあるのかを判断する運転モード判断部と、
前記運転モード判断部が前記各モードを判定した際に、各モードに対応した制御を行う制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記運転モード判断部が前記車両が前記車線追従モード下にあると判断したときは車線追従運転用のヨーモーメントまたは横方向付勢力の制御信号を生成し、
前記運転モード判断部が前記車両が前記車線変更モード下にあると判断したときは、制御信号を発生せず、または車線変更運転用のヨーモーメントまたは横方向付勢力の制御信号を生成し、
前記運転モード判断部が前記車両が前記中間モード下にあると判断した場合において、直前に前記車線追従運転用の前記制御信号を生成しているときは当該車線追従運転用の制御信号を、直前に前記車線変更運転用の前記制御信号を生成しているときは当該車線変更運転用の制御信号を生成する、
ことを特徴とする車線追従制御装置。 - 前記運転モード判断部は、現在、前記車線追従運転モード下、前記車線変更モード下または前記中間モード下のどのモード下にあるかを、観測可能な量を用いて決定することを特徴とする請求項1に記載の車線追従制御装置。
- 前記車線追従運転モード、前記車線変更モードおよび前記中間モードが、隠れマルコフモデルにおける遷移する状態であり、前記観測可能な量が隠れマルコフモデルにおける出力シンボルであることを特徴とする請求項2に記載の車線追従制御装置。
- 請求項1から3に記載の車線追従制御装置を搭載した自動車であって、後部側または前部側の左右両輪または全輪にそれぞれ独立に駆動されるモータを備え、前記制御部は前記モータを制御することを特徴とする自動車。
- 請求項1から3に記載の車線追従制御装置を搭載した自動車であって、後部側または前部側の左右両輪または全輪にそれぞれ独立に制動力を付与する制動機を備え、前記制御部は前記制動機を制御することを特徴とする自動車。
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