JP3736017B2

JP3736017B2 - 先行車追従制御装置

Info

Publication number: JP3736017B2
Application number: JP07994797A
Authority: JP
Inventors: 章東又; 健伊藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2017-03-31
Also published as: JPH10272963A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、先行車を認識して一定の車間距離を保ちつつ追従する先行車追従制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車速Ｖと、車間距離検出値と目標車間距離との偏差ΔＲと、車速Ｖの関数であるゲインＧvと、車間距離偏差ΔＲの関数であるゲインＧrと、相対速度ΔＶの関数であるゲインＧdとに基づいて、車間距離が目標車間距離を保つような目標車速を算出し、その目標車速となるように車速を制御する先行車追従制御装置が知られている（例えば、特開平６−２２７２８０号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の先行車追従制御装置では、基本的に車間距離を目標車間距離に収束させる制御系としているために、目標車間距離に達したら必然的に相対速度も０になるが、それまでの過程では相対速度が大きくなり過ぎたり、小さくなり過ぎたりするおそれがある。
【０００４】
また、従来の先行車追従制御装置では複数のゲインを用いて目標車速を演算しているので、次のような問題がある。
（１）それぞれのゲインを経験的に設定しているため、チューニング工数がかかり、調整員の好みや能力の個人差により異なる。
（２）各ゲインが演算式やテーブルなどの形態で記憶されているため、メモリの記憶容量が増大するとともに、マイクロコンピュータの演算処理の負担が増加する。
（３）相対速度ΔＶに関するゲインＧdと車間距離偏差ΔＲが積の形式で組み込まれた非線形な制御系であるため、すべての追従走行条件に対して良好な収束性が得られる保証がない。
【０００５】
本発明の目的は、簡単な構成で相対速度が過大または過小にならないように目標車間距離に収束させるようにした先行車追従制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１の発明は、自車速を検出する自車速検出手段と、車間距離を検出する車間距離検出手段と、車間距離検出値を目標車間距離とするための目標車速を演算する車速演算手段と、自車速検出値が目標車速となるように駆動装置、変速装置および制動装置を制御する車速制御手段とを備えた先行車追従制御装置に適用される。
そして、先行車と自車の相対速度を検出する相対速度検出手段を備え、
前記車速演算手段により、自車速検出値に相対速度検出値を加算して先行車車速を演算するとともに、車間距離検出値と目標車間距離との偏差に第１のゲインを乗じた値と相対速度検出値に第２のゲインを乗じた値とを加算して目標相対速度を演算し、先行車車速から目標相対速度を減じて目標車速を演算する先行車追従制御装置であって、
前記車速制御手段の車速制御系を線形伝達関数で近似し、その伝達特性に基づいて車間距離検出値が目標車間距離へ、相対速度検出値が０へそれぞれ収束する収束特性が任意の特性となるように第１のゲインと第２のゲインを設定する。
（２）請求項２の先行車追従制御装置は、相対速度検出手段によって、車間距離検出値にバンドパスフィルターまたはハイパスフィルターを施すことにより相対速度を検出するようにしたものである。
（３）請求項３の先行車追従制御装置は、先行車車速に応じて目標車間距離を設定するようにしたものである。
（４）請求項４の先行車追従制御装置は、自車速に応じて目標車間距離を設定するようにしたものである。
【０００７】
【発明の効果】
（１）請求項１の発明によれば、自車速検出値に相対速度検出値を加算して先行車車速を演算するとともに、車間距離検出値と目標車間距離との偏差に第１のゲインを乗じた値と相対速度検出値に第２のゲインを乗じた値とを加算して目標相対速度を演算し、先行車車速から目標相対速度を減じて目標車速を演算する。そして、車速制御系を線形伝達関数で近似し、その伝達特性に基づいて車間距離検出値が目標車間距離へ、相対速度検出値が０へそれぞれ収束する収束特性が任意の特性となるように第１のゲインと第２のゲインを設定するようにしたので、先行車との相対速度を考慮した目標車速を算出でき、追従過程における相対速度が過大または過小になるようなことがなく、車間距離をその目標値に収束させることができる。また、簡単な制御系の構成で実現でき、チューニング工数を削減できる上に、チューニング結果が調整者の個人差により影響を受けない。さらに、設計者の意図する収束特性を容易に得ることができる。
（２）請求項２の発明によれば、車間距離検出値にバンドパスフィルターまたはハイパスフィルターを施すことにより相対速度を検出するようにしたので、従来の、単位時間当たりの車間距離検出値の変化量により簡易的な微分演算を行なって相対速度を演算する方法に比べて、ノイズの影響が少なく、追従制御中の車両挙動に影響を与えるようなことがない。
（４）請求項３の発明によれば、先行車車速に応じて目標車間距離を設定するようにしたので、最適な目標車間距離を設定することができる。
（５）請求項４の発明によれば、自車速に応じて目標車間距離を設定するようにしたので、自車速と相対速度とに基づいて先行車車速を演算して目標車間距離を設定する方法に比べて、相対速度に重畳されるノイズの影響を受けにくく、最適な目標車間距離を設定することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は一実施の形態の構成を示す図である。
車間距離センサーヘッド１は、レーザー光を掃射して先行車からの反射光を受光するレーダー方式のセンサーヘッドである。なお、電波や超音波を利用して車間距離を計測してもよい。車速センサー２は変速機の出力軸に取り付けられ、その回転速度に応じた周期のパルス列を出力する。スロットルアクチュエータ３は、スロットル開度信号に応じてスロットルバルブを開閉し、エンジンの吸入空気量を変えてエンジン出力を調節する。自動変速機４は、車速とスロットル開度に応じて変速比を変える。制動装置６は車両に制動力を発生させる装置である。
【０００９】
追従制御コントローラー５はマイクロコンピュータとその周辺部品を備え、車間距離と車速の検出値に基づいて目標車速を求め、スロットルアクチュエータ３、自動変速機４および制動装置６を制御する。
【００１０】
追従制御コントローラー５は、マイクロコンピュータのソフトウエア形態により図２に示す制御ブロック１１、２１、５０、５１を構成する。
測距信号処理部１１は、車間距離センサーヘッド１によりレーザー光を掃射してから先行車の反射光を受光するまでの時間を計測し、先行車との車間距離を演算する。なお、前方に複数の先行車がいる場合は追従すべき先行車を特定して車間距離を演算する。車速信号処理部２１は、車速センサー２からの車速パルスの周期を計測し、自車両の速度を検出する。
【００１１】
先行車追従制御部５０は、相対速度演算部５０１、車間距離制御部５０２および目標車間距離設定部５０３を備え、車間距離Ｌと自車速Ｖとに基づいて目標車間距離Ｌ^*と目標車速Ｖ^*を演算する。相対速度演算部５０１は、測距信号処理部１１により検出された車間距離Ｌに基づいて先行車との相対速度ΔＶを演算する。車間距離制御部５０２は、相対速度ΔＶを考慮して車間距離Ｌを目標車間距離Ｌ^*に一致させるための目標車速Ｖ^*を演算する。目標車間距離設定部５０３は、先行車の車速Ｖtまたは自車速Ｖに応じた目標車間距離Ｌ^*を設定する。
【００１２】
また、車速制御部５１は、自車速Ｖが目標車速Ｖ^*となるようにスロットルアクチュエータ３のスロットル開度と、自動変速機４の変速比と、制動装置６の制動力を制御する。
【００１３】
図３は車速制御部５１の詳細な構成を示す図である。
車速サーボ部５３１は、自車速Ｖを目標車速Ｖ^*に一致させるための目標スロットル開度Ｔvo^*を演算してスロットルサーボ部５３２を制御するとともに、変速指令を演算して自動変速機４を制御する。また、所要制動力を演算して制動装置６を制御する。スロットルサーボ部５３２は、目標スロットル開度Ｔvo^*に基づいてスロットルアクチュエータ３を駆動制御する。
【００１４】
図４は車速サーボ部５３１とスロットルサーボ部５３２の詳細な構成を示す図である。
スロットルサーボ部５３２は、目標スロットル開度Ｔvo^*に基づいてスロットルアクチュエータ３を駆動制御する。この実施の形態では、実際のスロットル開度Ｔvoを目標スロットル開度Ｔvo^*に一致させるためにＰＩ制御手法を用いる。ここで、スロットルサーボ系の目標性能はその上位である車速サーボ系の目標性能に応じて決定する。例えば、車速サーボ系において、±６％の道路勾配変化に対し車速Ｖのオーバーシュートとアンダーシュートを±１ｋｍ／ｈ以下に抑制する必要がある場合には、スロットルサーボ系を１Ｈｚまで追従可能な性能とする必要がある。
【００１５】
車速サーボ部５３１は、道路勾配変動などの外乱に強いサーボ系とするために、この実施の形態では”ロバストモデルマッチング制御手法”で設計する。
【００１６】
図５は車速サーボ部５３１の詳細な構成を示す図である。
車速サーボ部５３１のロバストモデルマッチング制御系は、ロバスト補償器とモデルマッチング補償器を備えている。ロバスト補償器はいわゆる外乱補償器であり、制御対象のモデル化誤差や走行抵抗などの外乱を推定し補正することによって、実特性を線形モデルＧV（ｓ）に一致させる制御系を構成することができる。Ｈ（ｓ）はロバスト補償器の外乱除去性能を決めるロバストフィルターで、例えば定常ゲイン１、自定数Ｔcのローパスフィルターなどで構成する。このとき、カットオフ周波数を高くすると外乱除去性能は向上するが、逆にロバスト補償器を含む閉ループ系が不安定になるというトレードオフの問題があり、システム全体の性能を考慮してカットオフ周波数を決定する。
【００１７】
モデルマッチング補償器は、車速サーボ系の応答特性を規範モデルに一致させるための補償器で、フィードフォワード部の規範モデルＲ2（ｓ）で入出力応答特性を決定し、、フィードバック部の規範モデルＲ1（ｓ）で外乱除去性能と安定性を決定する。
このようにロバストモデルマッチング制御手法で車速サーボ系を設計することにより、モデル化誤差、パラメーター変動、外乱などに対して規範モデルの特性で追従する応答性と、内部変数が発散せずに速やかに収束する安定性を確保することができる。
【００１８】
次に、先行車との相対速度ΔＶの演算方法を説明する。
相対速度ΔＶは、図６に示すように、車間距離センサーヘッド１と測距信号処理部１１で検出される車間距離Ｌに基づいて演算する。従来の先行車追従制御装置では、次式に示すように、単位時間当たりの車間距離Ｌの変化量により簡易的な微分演算を行なって相対速度ΔＶを演算している。
【数１】
ΔＶ＝｛Ｌ（ｔ）−Ｌ（ｔ−Δｔ）｝／Δｔ
【００１９】
しかし、この演算方法はノイズに弱く、追従制御中にふらつきが生じるなど、車両挙動に影響を与えやすい。そこで、この実施の形態では車間距離Ｌを入力としバンドパスフィルターまたはハイパスフィルターを通すことによって相対速度ΔＶを近似的に得る方法を用いる。例えばバンドパスフィルターは次式に示す伝達関数で表わされる。
【数２】
Ｆ（ｓ）＝ωc²ｓ／（ｓ²＋２ζωcｓ＋ωc²），
ここで、ωc＝２πｆc、ｓはラプラス演算子である。
数式２から明らかなように、バンドパスフィルターの伝達関数の分子にはラプラス演算子ｓの微分項があり、図７に示すように実質的に車間距離Ｌを微分して相対速度ΔＶを演算することになる。同様に、車間距離Ｌにハイパスフィルターを施すことによっても相対速度ΔＶを近似的に得ることができる。なお、数式２のカットオフ周波数ｆcは、車間距離Ｌに含まれるノイズ成分の大きさと、短周期の車体前後のＧ変動の許容値とにより決定する。
【００２０】
次に、目標車間距離を維持して先行車に追従するための制御則について説明する。
基本的な制御系の構成は、図２に示すように、先行車追従制御部５０と車速制御部５１を別個に備えたものである。先行車追従制御部５０の出力は目標車速Ｖ^*であり、車間距離Ｌを直接、制御しない構成としている。
【００２１】
先行車追従制御部５０の車間距離制御部５０２は、車間距離Ｌ、目標車間距離Ｌ^*および相対速度ΔＶに基づいて、車間距離Ｌをその目標値Ｌ^*に保ちながら追従走行するための目標車速Ｖ^*を演算する。具体的には、図８に示すように、目標車間距離Ｌ^*と実車間距離Ｌとの偏差（Ｌ^*−Ｌ）にゲインｆd（第１のゲイン）を乗じた値と、相対速度ΔＶにゲインｆv（第２のゲイン）を乗じた値との線形結合を含む構成によって目標相対速度ΔＶ^*を求め、さらに先行車速度Ｖtから目標相対速度ΔＶ^*を減じて目標車速Ｖ^*を算出する。
【数３】
ΔＶ^*＝ｆd（Ｌ^*−Ｌ）＋ｆv・ΔＶ
【数４】
Ｖ^*＝Ｖt−ΔＶ^*
【００２２】
制御ゲインｆdとｆvは追従制御性能を決定するパラメーターである。このシステムは２つの目標値（車間距離と相対速度）を１つの入力（目標車速）で制御する１入力２出力系であることから、状態フィードバック（レギュレーター）制御法を用いて制御系を設計する。以下、制御系設計の手順を説明する。
【００２３】
システムの状態変数ｘ１，ｘ２を次式で定義する。
【数５】
ｘ１＝Ｖt−Ｖ
【数６】
ｘ２＝Ｌ^*−Ｌ
また、制御入力（コントローラーの出力）をＶ^*とし次式で定義する。
【数７】
Ｖ^*＝Ｖt−ΔＶ^*
車間距離Ｌは次式で与えられる。
【数８】
Ｌ＝∫（Ｖt−Ｖ）ｄｔ＋Ｌ０，
ここで、Ｌ０は車間距離Ｌの初期値である。
【００２４】
車速サーボ系は、例えば次式に示すように、目標車速Ｖ^*に対して実車速Ｖが一次遅れとなる線形伝達関数で近似的に表現できる。
【数９】
Ｖ＝Ｖ^*／（１＋τv・ｓ）
【数１０】
ｄＶ／ｄｔ＝（Ｖ^*−Ｖ）／τv
先行車車速Ｖtを一定と仮定すると、数式５、数式７、数式１０により、
【数１１】
ｄｘ1／ｄｔ＝（−１／τv）ｘ1＋（１／τv）ΔＶ^*
さらに、目標車間距離Ｌ^*を一定と仮定すると、数式６、数式８により、
【数１２】
ｄｘ2／ｄｔ＝−（Ｖt−Ｖ）＝−ｘ1
したがって、システムの状態方程式は次のように記述できる。
【数１３】

【００２５】
制御入力ｕを次式で与える。
【数１４】
ｕ＝ＦＸ，
Ｆ＝〔ｆv ｆd〕
状態フィードバックが施された全体システムの状態方程式は次式となる。
【数１５】

ここで、Ａ’＝Ａ＋ＢＦとすると、
【数１６】

したがって、全体システムの特性方程式は次のように導かれる。
【数１７】

【００２６】
上述したように、車速サーボ系は近似的に線形伝達関数で表現でき、この伝達特性に基づき車間距離Ｌが目標値Ｌ^*へ、相対速度ΔＶが０へそれぞれ収束する収束特性が設計者の意図する特性となるようにゲインｆdとｆvを設定する。例えば、車速サーボ系の時定数がτv＝０．５〔ｓｅｃ〕、極配置法により先行車追従制御系の極（目標値）が０．１４±０．１４ｊ（ωn＝０．２，ζ＝０．７）となるゲインは次のようになる。
【数１８】
ｓ²＋２ζωnｓ＋ωn²＝ｓ²＋０．２８ｓ＋０．０４＝０
数式１７および数式１８により、
【数１９】
（１−ｆv）／τv＝２−２ｆv＝０．２８
【数２０】
ｆd／τv＝２ｆd＝０．０４
したがって、ゲインｆd、ｆvは、
【数２１】
ｆv＝０．８６，
ｆd＝０．０２
【００２７】
この実施の形態では、図９に示すように、相対速度ΔＶが先行車と自車の車速差であることから、自車速Ｖと車間距離データから得られた相対速度ΔＶとを用いて先行車車速Ｖtを算出する。
【数２２】
Ｖt＝Ｖ＋ΔＶ
したがって、この場合の目標車速Ｖ^*は数式３、数式４および数式２２から次のようになる。
【数２３】
Ｖ^*＝Ｖ−ｆd（Ｌ^*−Ｌ）＋（１−ｆv）ΔＶ
また、急激な加速、減速を防止するために、目標車速Ｖ^*の単位時間当たりの変化量を制限する。
【００２８】
一方、目標車間距離Ｌ^*は、接近警報などに用いられる車間時間という概念を用いて設定してもよいが、ここでは制御の収束性にまったく影響を及ぼさないという観点から先行車の車速の関数とする。数式２２で定義した先行車の車速を用いて、
【数２４】
Ｌ^*＝ａ・Ｖt＋Ｌof，
ここで、ａは係数、Ｌofはオフセットである。
【００２９】
自車速Ｖと相対速度ΔＶとに基づいて先行車の車速Ｖtを演算すると、相対速度ΔＶに重畳されるノイズの影響を受けるので、図１０に示すように目標車間距離Ｌ^*を自車速Ｖの関数とする。例えば、次式により目標車間距離Ｌ^*を設定する。
【数２５】
Ｌ^*＝ａ・Ｖ＋Ｌof
【００３０】
図１１〜図１５は一実施の形態のシミュレーション結果を示す。
各図において、車速データＶの実線が自車速Ｖを、破線が目標車速Ｖ^*を示し、車間距離データＬの実線が車間距離Ｌを、破線が目標車間距離Ｌ^*を示す。また、相対速度データΔＶの実線が実際の相対速度を、破線がバンドパスフィルターによる相対速度演算値を示す。データＡｃｃｅｌは車体加速度を示す。
【００３１】
シミュレーションの条件は、
（１）車速１００ｋｍ／ｈ、車間距離４０ｍで追従走行中に、２０ｍ前方に車速８０ｋｍ／ｈの車両に割り込みされた場合、
（２）同様に車速１００ｋｍ／ｈの車両に割り込みされた場合、
（３）時速１００ｋｍ／ｈで走行中に、前方に６０ｋｍ／ｈで走行する車両を捕捉した場合の３シーンで、目標車間距離Ｌ^*を先行車車速Ｖtの関数とした場合（数式２４）と自車速Ｖの関数とした場合（数式２５）について行なった。
また、システムの極を−０．１７±０．１０ｊ、フィードバックゲインｆv＝０．８７、ｆd＝０．０２とした。
【００３２】
図１１、図１２は目標車間距離Ｌ^*を先行車車速Ｖtの関数とした場合で、図１１はシミュレーション条件（１）、図１２はシミュレーション条件（２）の場合を示す。また、図１３〜図１５は目標車間距離Ｌ^*を自車速Ｖの関数とした場合で、図１３はシミュレーション条件（１）、図１４はシミュレーション条件（２）、図１５はシミュレーション条件（３）の場合を示す。
【００３３】
シミュレーション条件（１）の場合、すなわち車速１００ｋｍ／ｈ、車間距離４０ｍで追従走行中に、２０ｍ前方に車速８０ｋｍ／ｈの車両に割り込みされた場合には、図１１と図１３に示すように、割り込み時の相対速度ΔＶの変化はほぼ元の先行車と割り込み車両との車速差２０ｋｍ／ｈの分だけであり、相対速度ΔＶの変化を十分に抑制しながら先行車車速Ｖtまたは自車速Ｖに応じた目標車間距離Ｌ^*（ほぼ３２ｍ）に近づいている。
また、シミュレーション条件（２）の場合、すなわち車速１００ｋｍ／ｈ、車間距離４０ｍで追従走行中に、２０ｍ前方に車速１００ｋｍ／ｈの車両に割り込みされた場合には、図１２と図１４に示すように、相対速度ΔＶの変化を抑制しながら目標車間距離Ｌ^*（４０ｍ）に近づいている。
【００３４】
以上の一実施形態の構成において、車速センサー２と車速信号処理部２１が自車速検出手段を、車間距離センサーヘッド１と測距信号処理部１１が車間距離検出手段を、先行車追従制御部５０が車速演算手段を、車速制御部５１が車速制御手段を、相対速度演算部５０１が相対速度検出手段をそれぞれ構成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】追従制御コントローラーの制御ブロック図である。
【図３】車速制御部の詳細な構成を示す図である。
【図４】車速サーボ部とスロットルサーボ部の詳細な構成を示す図である。
【図５】車速サーボ部の詳細な構成を示す図である。
【図６】相対速度の演算方法を示す図である。
【図７】相対速度の演算方法を示す図である。
【図８】目標車速の演算方法を示す図である。
【図９】目標車速の演算方法を示す図である。
【図１０】目標車間距離の演算方法を示す図である。
【図１１】一実施の形態のシミュレーション結果を示す図である。
【図１２】一実施の形態のシミュレーション結果を示す図である。
【図１３】一実施の形態のシミュレーション結果を示す図である。
【図１４】一実施の形態のシミュレーション結果を示す図である。
【図１５】一実施の形態のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
１車間距離センサーヘッド
２車速センサー
３スロットルアクチュエータ
４自動変速機
５追従制御コントローラー
６制動装置
１１距離信号処理部
２１車速信号処理部
５０先行車追従制御部
５１車速制御部
５０１相対速度演算部
５０２車間距離制御部
５０３目標車間距離設定部
５３１車速サーボ部
５３２スロットルサーボ部

Claims

自車速を検出する自車速検出手段と、
車間距離を検出する車間距離検出手段と、
車間距離検出値を目標車間距離とするための目標車速を演算する車速演算手段と、
自車速検出値が目標車速となるように駆動装置、変速装置および制動装置を制御する車速制御手段とを備えた先行車追従制御装置において、
先行車と自車の相対速度を検出する相対速度検出手段を備え、
前記車速演算手段により、自車速検出値に相対速度検出値を加算して先行車車速を演算するとともに、車間距離検出値と目標車間距離との偏差に第１のゲインを乗じた値と相対速度検出値に第２のゲインを乗じた値とを加算して目標相対速度を演算し、先行車車速から目標相対速度を減じて目標車速を演算する先行車追従制御装置であって、
前記車速制御手段の車速制御系を線形伝達関数で近似し、その伝達特性に基づいて車間距離検出値が目標車間距離へ、相対速度検出値が０へそれぞれ収束する収束特性が任意の特性となるように第１のゲインと第２のゲインを設定することを特徴とする先行車追従制御装置。
請求項１に記載の先行車追従制御装置において、
前記相対速度検出手段は、車間距離検出値にバンドパスフィルターまたはハイパスフィルターを施すことにより相対速度を検出することを特徴とする先行車追従制御装置。
請求項１または請求項２のいずれかの項に記載の先行車追従制御装置において、
先行車車速に応じて目標車間距離を設定することを特徴とする先行車追従制御装置。
請求項１〜３のいずれかの項に記載の先行車追従制御装置において、
自車速に応じて目標車間距離を設定することを特徴とする先行車追従制御装置。