JP2015058903A - 車両のレーンキープ制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】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。
【解決手段】走行路形状に基づくフィードフォワード制御による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と、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外乱補償フィードバック制御量Ifbcと、前方注視点における目標コースと推定した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と、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と、ドライバの操舵トルクTdに応じたモータ基本電流Ipsbとで電動モータ12を駆動制御する。
【選択図】図2

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))・(V/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))・(θp/Lw)・(V・T)
…(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+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+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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