JP4134683B2

JP4134683B2 - 自動操舵装置

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Publication number: JP4134683B2
Application number: JP2002318612A
Authority: JP
Inventors: 正康島影
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: JP2004149060A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基準走行ラインに対する車両の横方向の相対位置に応じて目標操舵角を演算する自動操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動操舵装置として、基準走行ラインに対する車両の横方向の相対位置に応じて目標操舵角を演算するものがある。この自動操舵装置では、車両の状態をオブザーバにより推定し、その推定した状態量に基づいて目標操舵角を算出している。
【０００３】
しかし、このような自動操舵装置では、オブザーバとして直線走行モデルに基づくカルマンフィルタを用いている。直線走行モデルに基づくオブザーバを用いて曲線路を走行した場合、オブザーバの平衡点ずれが原因となり、走行位置ずれ等が発生する。特許文献１に開示されている自動操舵装置では、このようなオブザーバの平衡点ずれが原因となる走行位置ずれ等を解消するため、積分特性を有する平衡点操舵角（オフセット操舵角）推定器を設けている。具体的には次のようにオブザーバの平衡点ずれに起因する走行位置ずれ等を解消している。
【０００４】
目標軌道と実際の走行軌跡とが一致するまで目標操舵角を積算した値として平衡点操舵角を算出し、あるいは目標軌道と実際の走行軌道と差分の積算値に所定の係数を乗じた値として平衡点操舵角を算出し、この平衡点操舵角を前記直線走行モデルに基づくオブザーバの入力する。ここで、オブザーバは、ヨーレート、ヨー角或いは横変位等から推定した車両状態量を算出するように構成されている。
【０００５】
このように仮想的に算出した平衡点操舵角をオブザーバに入力することで、たとえオブザーバが直線走行モデルとして設計されている場合でも平衡点ずれを補正し、正しい車両状態量を推定できるようにしている。そして、正しく推定された車両状態量の状態フィードバック制御を行うことで、曲線路である基準走行ラインに沿って車両を走行させることを実現している。
【０００６】
以上のように、オブザーバが直線走行モデルにより構築されていることを前提に、曲線路を走行中である場合に生じるモデル化誤差に起因する走行位置のずれを修正し、曲線路である基準走行ラインに沿って車両を走行させることを実現している。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２９７５２１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述の構成では、目標軌道と実際の走行軌道とが一致するまで平衡点操舵角を積算しているので、車両への実装を考え、運転者の介入によるハンドル操作の影響を考慮して設計する必要がある。すなわち、運転者の介入によるハンドル操作があるような場合には長時間目標軌道に一致しないことが想定され、このような事態に対応して、積算処理部に所定のリミッタ手段を設けて平衡点操舵角の絶対値が発散しない構成にしなければならない。
【０００９】
しかし、リミッタ処理が実行されるのは、何もドライバの操舵介入時だけには限らない。例えば、目標軌道が大きく変更された場合もリミッタ処理がなされてしまう。しかしながら、このように目標軌道が大きく変更された場合にも積分演算部でリミッタ処理がなされると、安定化制御部とのゲインのバランスが崩れることとなり、目標軌道への追従速度が著しく低下してしまうといった問題が発生する。
【００１０】
また、前述の構成では、状態フィードバック要素と積分フィードバックゲインとは独立して設定されるようになっているので、系全体としての動作を適正にすることが非常に難しく試行錯誤を繰り返す必要がある。さらに、そもそもモデル自身が直線走行モデルであるため、曲率半径が小さい場合や目標軌道が頻繁に切り替わる場合には大きな誤差が生じ、走行安定性を乱す恐れもある。
【００１１】
そこで、本発明は、前述の実情に鑑みてなされたものであり、基準走行ラインに沿って車両を走行させる積算処理部でリミッタ処理を行った場合でも、その基準走行ラインに安定して車両を追従させることができる自動操舵装置の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述の問題を解決するために、本発明に係る自動操舵装置は、基準走行ラインに対する車両の横方向の相対位置を検出する相対位置検出手段と、前記相対位置検出手段の検出結果に応じて目標操舵トルクを演算する目標操舵トルク演算手段と、前記目標操舵トルクに基づいて車両の転舵輪に舵角を発生させる舵角発生手段と、を備えた自動操舵装置において、前記目標操舵トルク演算手段は、車両が走行中の道路の曲率を道路曲率推定手段により推定し、前記相対位置検出手段の検出結果に基づいて車両の走行状態を走行状態推定手段により推定し、前記走行状態推定手段が得た車両の走行状態に基づいて、前記道路曲率推定手段が得た道路曲率の基準走行ラインを基準にして車両を安定にする安定化制御トルクを安定化制御トルク演算手段により算出し、前記相対位置検出手段が検出した前記相対位置に基づいて前記基準走行ラインに対する実際の走行ラインのずれ量を算出し、前記ずれ量に基づいて車両を基準走行ラインに追従走行させるための基準走行ライン追従トルクを基準走行ライン追従トルク演算手段により算出し、前記安定化制御トルクと前記基準走行ライン追従トルクとを加算して前記目標操舵トルクを加算手段により算出する。
【００１３】
すなわち、所定の道路曲率として得た基準走行ラインに追従走行させるための基準走行ライン追従トルクと、基準走行ラインを基準にして車両を安定にする安定化制御トルクとを個別に設定可能にしている。具体的には、基準走行ライン追従トルクの変化に基づいて安定化制御トルクの値を設定する。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によれば、基準走行ライン追従トルクと安定化制御トルクとを個別に設定することで、急激なトルク変化や走行位置の変化を抑止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１乃至図６は本発明の実施の形態を示す図である。
図１は自動操舵装置が搭載された車両１の概略構成を示す平面図である。先ず、図１に示す構成について説明すると、この車両１にあっても、基本的には通常の車両と同様に運転者がステアリングホイール２を操舵することにより転舵輪としての前輪３Ｌ，３Ｒに舵角が発生するようになっている。つまり、図２に拡大図示するように、ステアリングホイール２には、回転方向に一体にステアリングシャフト４の上端部が連結され、そのステアリングシャフト４の下端には図示しないユニバーサルジョイント等の中継手段を用いてパワーステアリング装置５への入力軸に連結されている。この入力軸には、パワーステアリング装置５にてピニオン軸が一体に形成され、そのピニオン軸がパワーステアリング装置５で車両横方向に進退するラック６に噛み合っている。さらに、パワーステアリング装置５への入力軸とピニオン軸との中間には、例えば操舵系に発生するトルクを検出する図示しないトルクセンサが設けられており、パワーステアリング装置５はトルクセンサにより検出された操舵トルクを軽減するように油圧アクチュエータ等を制御してラック６に操舵補助トルクを付与する。
【００１６】
そして、ラック６の両端部には左右タイロッド７Ｌ，７Ｒが連結され、それらタイロッド７Ｌ，７Ｒの外端側は、前輪３Ｌ，３Ｒを回転自在に支持するナックルに結合されている。従って、ステアリングホイール２を運転者が操舵すると、その操舵力がステアリングシャフト４及びパワーステアリング装置５を介してラック６の進退力に変換されて両タイロッド７Ｌ，７Ｒに入力され、前輪３Ｌ，３Ｒに舵角が発生する。このとき、操舵系に発生した操舵トルクを軽減するようにパワーステアリング装置５によって操舵補助トルクが発生するようになっており、これにより、運転者の負担が軽減される。
【００１７】
さらに、ステアリングシャフト４には、自動的に前輪３Ｌ，３Ｒに舵角を発生させる自動操舵機構１０が設けられている。この自動操舵機構１０は、電動モータ１０ａと、この電動モータ１０ａの回転力を拡大してステアリングシャフト４に伝達するためにウォームギヤ等の減速機構及び電動モータ１０ａの動力を断続可能にする電磁クラッチ等の伝達機構１０ｂと、を備えている。
【００１８】
自動操舵機構１０の動作としては、運転者が手動操舵を選択した場合、電磁クラッチを非接続状態にして、電動モータ１０ａが操舵系の負荷にならないようにしている。つまり、自動操舵が選択された場合には、電磁クラッチが接続状態となり、電動モータ１０ａの回転力が伝達機構を介してステアリングシャフト４に伝達される。そして、自動操舵機構１０の電動モータ１０ａには、車両１に搭載されたコントローラ２０から駆動電流が供給されるようになっており、その駆動電流に応じた方向及び大きさの回転トルクが電動モータ１０ａに発生するため、手動操舵時と同様に前輪３Ｌ，３Ｒに舵角を発生させる。
【００１９】
なお、この実施の形態では、ステアリングシャフト４の伝達機構の連結位置よりもラック６に近い側に、パワーステアリング装置５のトルクセンサを配設しているため、電動モータ１０ａの回転力が小さくても、前輪３Ｌ，３Ｒに舵角を発生させることができるようになっている。
また、ステアリングシャフト４には、その回転変位を計測して前輪３Ｌ，３Ｒの実際の操舵角を検出する舵角センサ１４が取り付けられている。舵角センサ１４は、実際の操舵角を精度良く検出することが可能な構成として、ステアリングシャフトの回転を増速するギヤ機構及びロータリーエンコーダ又はポテンショメータ等の角度検出機構を組み合わせて構成されている。そして、この舵角センサ１４の出力は、舵角検出信号としてコントローラ２０に供給される。
【００２０】
さらに、この車両１には、車両１前方の走行路を撮影するＣＣＤカメラ１７が搭載されている。このＣＣＤカメラ１７は、車両１前方の数ｍ〜数１０ｍ先の路面を撮影できるように構成されている。そして、ＣＣＤカメラ１７が撮影した画像はコントローラ２０に供給される。コントローラ２０は、ＣＣＤカメラ１７が撮影した画像に基づいて、走行路に沿った基準走行ラインに対する車両１の横方向の相対位置を検出するようになっている。
【００２１】
具体的には、コントローラ２０は、ＣＣＤカメラ１７が撮影した画像から、基準走行ラインとして用いることができる情報（例えば、路面に描かれたセンターラインやサイドライン、或いはガイドレール等）を抽出する。コントローラ２０は、この抽出した情報に基づいて基準走行ラインを想定（例えば、走行車線の中央部等）して、その基準走行ラインと、車両１の重心を通って車両前後方向に延びる基準線の所定位置（例えば、車両前方１０ｍの位置）との間隔（差分）を、前方注視点における基準走行ラインに対する車両１の横方向の相対位置（以下、前方注視点横変位ｙ_srという。）として検出する。
【００２２】
また、車両１には、例えば変速機の出力側の回転数や車輪の回転数を検出することにより車速を検出する車速センサ１９が配設されている。車速センサ１９が検出した車速検出信号はコントローラ２０に供給される。
コントローラ２０は、供給される各検出信号やＣＣＤカメラ１７が撮影した画像に基づいて操舵トルクをステアリングシャフト４へ入力するようになっている。すなわち、コントローラ２０は、供給される各検出信号等に基づいて、所定の演算を実行して車両１が走行路面の基準走行ラインに沿って走行するために必要な目標操舵トルクを求め、自動操舵機構１０の電動モータ１０ａへ供給される電流を制御してその目標操舵トルクをステアリングシャフト４に入力している。これにより、その目標操舵トルクに応じて車両の転舵輪である前輪３Ｌ，３Ｒに舵角を発生させる。
【００２３】
ここで、コントローラ２０は、図示はしないがＡ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等のインタフェース回路、ＲＯＭ或いはＲＡＭ等のメモリ装置、又はマイクロコンピュータ等を含んで構成されている。
次に自動操舵系についてさらに詳しく説明する。ここでは、オブザーバを用いた自動操舵系について説明する。図３は自動操舵系の制御系の構成（コントローラ２０内の構成）を示し、この図３を用いて基本的な処理等を説明する。
【００２４】
図３中、１１０はオブザーバであり、１２１はレギュレータゲインである。
オブザーバ１１０は、カルマンフィルタとして構築されている。このオブザーバ１１０は、行列Ａ，Ｂ，Ｃ及びゲインＬを有するとともに、加算器１１１，１１２を含んで構成されている。なお、オブザーバ１１０中に示す、ｓはラプラス演算子であり、ｚは状態量ｘの推定値である。
【００２５】
このような構成により、コントローラ２０は、車両１の操舵トルクｕを制御している。すなわち、オブザーバ１１０には、操舵トルクｕ及び前記前方注視点横変位ｙ_srが供給されていて、このオブザーバ１１０は、それら操舵トルクｕ及び前方注視点横変位ｙ_srに基づいて状態量ベクトル（状態量）ｘを推定する。ここで、状態量ベクトルｘは、ヨーレートγ、走行車線に対する相対ヨー角φ_r、走行車線に対する相対横変位ｙ_cr、走行車線に対する相対横速度ｙ'_cr、操舵角度δ_f及び操舵角速度δ'_fである。
【００２６】
前記行列Ａ，Ｂ，Ｃは、車両１のモデルから決まる行列であり、先ず、車両モデルを図４に示すように一般的な２輪モデルで表す。なお、図４中の各記号の意味は下記の通りである。
β：車体横滑り角，Ｃ_f：前輪コーナリングパワー（二輪分）、Ｃ_r：後輪コーナリングパワー（二輪分）、ｍ：車両重量、Ｉ：ヨー慣性モーメント、δ_f：前輪実舵角、Ｖ：車速、ｌ_f：重心と前輪との間の距離、ｌ_r ：重心と後輪との間の距離、Ｆ_f：前輪のコーナリングフォース、Ｆ_r：後輪のコーナリングフォース
このモデルの運動方程式は下記（１）式のようになる。
【００２７】
【数１】

【００２８】
また、目標軌道の接線の傾きの変化量が道路曲率ρで定義したとき、単位時間当たりの目標軌道からの相対的な車両のヨー角変化、すなわち目標軌道に対する相対ヨーレートφ'_rは、
【００２９】
【数２】

【００３０】
であり、また、相対横速度ｙ'_crは、
【００３１】
【数３】

【００３２】
であるから、前記（１）式より横滑り角及び横滑り角速度を消去し、整理するとそれぞれ下記（４）式及び（５）式が得られる。
【００３３】
【数４】

【００３４】
【数５】

【００３５】
また、基準走行ラインに対する車両１の横方向の前方注視点横変位ｙ_srは、前方注視点位置の車両前方の距離をＬ_s[ｍ]とおいて、目標軌道（走行車線）からの相対横変位ｙ_cr 、相対ヨー角φ_r及び道路曲率ρを用いると、下記（６）式として記述できる。
【００３６】
【数６】

【００３７】
一方、前記図２に示す自動操舵装置における操舵系の運動方程式は次のように記述できる。
【００３８】
【数７】

【００３９】
ここで、ζ：車両のトレール長さ、Ｋ_T：操舵アクチュエータのトルク係数、Ｎ_s：操舵アクチュエータから操舵系へのトルク伝達比、Ｃ_s：操舵系の減衰係数そして、前記（４）式及び（５）式と同様に、横滑り角β及び横滑り角速度β'を消去し、整理すると下記（８）式のようになる。
【００４０】
【数８】

【００４１】
これら（４）式〜（６）式及び（８）式を新たに目標として道路曲率を状態変数に加えて行列表現することにより、曲線走行状態における車両モデルは下記（９）式のように記述できる。
【００４２】
【数９】

【００４３】
前記動的システムに対して、ある行列Ｌを用いて
【００４４】
【数１０】

【００４５】
なる演算を行って、状態変数ベクトルｚを算出する。ここで算出する状態変数ベクトルｚと、真の車両状態量ベクトルｘとの偏差をｅとすると、前記（９）式及び（１０）式から下記（１１）式が得られる。
【００４６】
【数１１】

【００４７】
前記遷移行列Ａ−ＬＣのすべての固有値の実部が負になるように行列Ｌを決定すると下記（１２）式のようになる。
【００４８】
【数１２】

【００４９】
これにより、任意の初期値ｅ（ｔ₀）の値によらず、十分に時間の経過後には先に算出された状態変数ベクトルｚと真の車両状態量ベクトルｘとの偏差ベクトルｅは０となり、状態変数ベクトルｚと真の車両状態量ベクトルｘと一致するので、車両の状態量を正しく検出することができる。
ここで、前記（１０）式はオブザーバを示すもので、このようなオブザーバを用いた解法は動的システムの状態推定に良く利用される手法である。
【００５０】
一方、システムへのプロセスノイズｗ及び観測ノイズ（センサーノイズ）ｎを考慮するとシステムの行列表現は下記（１３）式として記述できる。
【００５１】
【数１３】

【００５２】
そして、前述したオブザーバと同様に偏差ベクトルｅを下記（１４）式として得ることができる。
【００５３】
【数１４】

【００５４】
ここで、プロセスノイズｗとセンサーノイズｎとが正規性白色ノイズであると仮定した場合、推定誤差ｅを最小にするように行列Ｌを求めたものがカルマンフィルタとなり、動的システムの状態推定にしばしば利用される。
ところで、プロセスノイズｗには、横風や路面カント（片勾配）を原因とするヨー方向へのモーメント成分や横方向への横力成分のように、厳密には正規性白色ノイズではない持続的な外乱が作用したり、車両パラメータ誤差等のモデル化誤差が存在するため、状態推定値が真の値に収束しない場合がある。このような結果、前記図３に示すレギュレータ１２１だけの単純な状態フィードバック制御では定常的な位置ずれを生じる可能性がある。このような場合、車両が基準走行ラインからそれる方向へに舵制御されることになり、運転者は強い違和感を感じる可能性が高い。
【００５５】
これに対し、本実施の形態におけるコントローラ２０は、次のような構成を備えている。図５は、コントローラ２０を、基本的な機能構成（図３に示した構成）を含む本発明を適用した系全体をブロック図である。
すなわち、図５に示すコントローラ２０は、図３に示したコントローラ２０と同様に、曲線走行状態をモデルとして構成されたオブザーバ１１０と、レギュレータゲインＫ_s（図３では、Ｋ₀）とを含んだ構成になっている。そして、オブザーバ１１０についても、前述したような手法で決定される行列Ａ，Ｂ，Ｃ及びゲインＬを有するとともに、加算器１１１，１１２を含んで構成されている。ここで、オブザーバ１１０中に示す、ｓはラプラス演算子であり、ｚは状態量ｘの推定値、Ｃｚは観測値ベクトルｙの推定値である。
【００５６】
ここで、本実施の形態におけるコントローラ２０の詳細をさらに図６を用いて説明すると、コントローラ２０は、車両１の前方注視点横変位ｙ_srと基準走行ラインｙ_refとの偏差Δｙを得る加算器１２３と、加算器１２３により得た偏差Δｙに基づいて車両１に発生すべき基準走行ライン追従トルクｕ₂を算出する基準走行ライン追従トルク発生部１３０と、安定化制御トルクｕ_sを算出する安定化制御トルク発生部（Ｋ_s）１２４と、基準走行ライン追従トルク発生部１３０が算出した前記基準走行ライン追従トルクｕ₂と安定化制御トルク発生部（Ｋ_s）１２４が算出した安定化制御トルクｕ_sとを加算して目標操舵トルクｕを得る加算器１２２とを含んで構成されている。
【００５７】
基準走行ライン追従トルク発生部１３０は、積算部１４０と、積算部１４０からの出力値にゲインＫ₂を掛ける乗算部１３１とを備えている。
積算部１４０は図７に示すように構成されている。積算部１４０は、前記加算部１２３からの出力値である、前方注視点横変位ｙ_srと基準走行ラインｙ_refとの偏差Δｙにサンプリング時間Ｔを乗じ、その値に当該積算部１４０で１サンプリング時間前に得た積算値を加算し、リミット処理部１４１で所定のリミット処理を行って最新の積算値を算出する。
【００５８】
なお、積算部１４０中のｑ^-1はシフト演算子であり、入力された信号を、ｑ^-1で１サンプリング時刻だけ遅れて出力する。また、リミット処理部１４１で用いる積算値の上限値及び下限値については、基準走行ライン追従トルクｕ₂が所定の上限値及び下限値の範囲内にとどまるように決定している。
基準走行ライン追従トルク発生部１３０は、このような積算部１４０により算出した積算値に、乗算部１３１でゲインＫ₂を乗じ、基準走行ライン追従トルクｕ₂を得る。なお、乗算部のゲインＫ₂の値の選定については後で詳述する。
【００５９】
安定化制御トルク発生部（Ｋ_s）１２４は、道路曲率ρによって与えられる基準走行ライン周りの車両の走行状態を安定化させるための安定化制御トルクｕ_sを算出するように構成されている。図８は、その具体的構成を示す。
安定化制御トルク発生部１２４にはオブザーバ１１０が推定する状態量ｚが入力されており、安定化制御トルク発生部１２４は、２種類のレギュレータゲインＫ₀，Ｋ₁それぞれをその状態量ｚに乗じ、それに対応して第１及び第２の安定化制御トルクｕ₀，ｕ₁を算出する。なお、レギュレータゲインＫ₀，Ｋ₁の値の選定については、レギュレータゲインＫ_sの値の選定として後で詳述する。
【００６０】
安定化制御トルク発生部１２４は、基準走行ライン追従トルクｕ₂がリミット処理されている場合とそうでない場合に応じて第１の安定化制御トルクｕ₀と第２の安定化制御トルクｕ₁とを切り換えて、第１の安定化制御トルクｕ₀と第２の安定化制御トルクｕ₁とのいずれか一方を安定化制御トルクｕ_sとして出力する。ここで、第１の安定化制御トルクｕ₀の方が第２の安定化制御トルクｕ₁よりも小さな値になっており、基準走行ライン追従トルクｕ₂のリミット処理作動時には、第１の安定化制御トルクｕ₀を安定化制御トルクｕ_sとして出力する。
【００６１】
このように安定化制御トルク発生部（Ｋ_s）１２４により安定化制御トルクｕ_sが得られ、この安定化制御トルクｕ_sは、道路曲率をρとする基準走行ライン周りの微小なずれを補正する値となる。そして、この安定化制御トルクｕ_sは前記加算器１２２に入力される。加算器１２２では、この安定化制御トルクｕ_sと前記基準走行ライン追従トルク発生部１３０からの基準走行ライン追従トルクｕ₂とを加算して目標操舵トルクｕを得る。
【００６２】
ここで、積算部１３０のゲインＫ₂やレギュレータゲインＫ_s（レギュレータゲインＫ₀，Ｋ₁）の値の決定について説明する。
ゲインＫ₂は、その値を大きくすると基準走行ラインへの追従速度が速くなるといった特性をもつゲインである。このようなことから、ゲインＫ₂は、前方注視点横変位ｙ_srと基準走行ラインｙ_refとの偏差Δｙの積分値がわずかに変化した場合であっても、基準走行ライン追従トルクｕ₂に大きな変化を与えてしまう。この結果、例えば前方注視点横変位ｙ_srの検出結果に含まれるノイズ成分に過敏に反応した基準走行ライン追従トルクｕ₂が算出されて、操舵系の動きがぎこちなくなる可能性がある。
【００６３】
また、レギュレータゲインＫ_sに比べてゲインＫ₂があまりに大きすぎると、基準走行ラインを基準に車両の安定化を図る安定化制御トルクｕ_sが相対的に低下してしまう。この結果、前方注視点横変位ｙ_srと基準走行ラインｙ_refとの偏差Δｙがそれほど大きくない場合であっても、基準走行ライン追従トルクｕ₂が支配的になり、基準走行ラインに対する行き過ぎ量が大きくなる。これにより、車両が基準走行ライン上を通過する瞬間には基準走行ラインから逸脱する方向への制御トルクが残ってしまい、車両の走行安定性といった面或いは運転者の操舵感といった面から好ましくない状態が発生する可能性がある。
【００６４】
逆に、ゲインＫ₂を小さくしすぎると、走行安定性は相対的に向上するが、追従速度は低下する。この結果、車両がまだ目標軌道に達していないにも拘わらず目標軌道へ向かっていくことに抵抗するような操舵トルクが演算されてしまい、運転者の操舵感といった面から好ましくない状態が発生する可能性がある。
以上のようなことから、ゲインＫ₂及びレギュレータゲインＫ_s（レギュレータＫ₀，Ｋ₁）をそれぞれ任意の値として単独で設定するのではなく、ゲインＫ₂とレギュレータゲインＫ_sとがうまく協調するような組み合わせで決定する。例えば、車両１に対して自動操舵制御を実行した状態での動特性を実験やシミュレーションで充分に確認し、その動特性を考慮しつつ適宜選定するようにする。例えば、ゲインＫ₂の値とレギュレータゲインＫ_sの値との最適な組み合わせは次のような手法により求める。
【００６５】
例えば、図３のような構成においてレギュレータゲインＫ₀を求める手法として、前記（９）式に対応した次の評価関数Ｊを最小にするレギュレータを最適レギュレータにする、といった手法が知られている。
【００６６】
【式１５】

【００６７】
ここで、行列Ｑ，Ｒを調整することにより系の応答を調整することができ、また、下記（１６）式により安定化制御トルクｕ₀を算出できる。
【００６８】
【式１６】

【００６９】
このような手法を適用して、図６に示した装置では、前方注視点横変位ｙ_srと基準走行ラインｙ_refとの偏差Δｙの積分値をｈとしたとき、下記（１７）式を得ることができる。
【００７０】
【式１７】

【００７１】
このような拡張系で下記（１８）式に示す評価関数Ｊを最小にする最適レギュレータを演算すればよい。
【００７２】
【式１８】

【００７３】
ここで、行列ｑ_h，Ｑ'，Ｒ'を調整することで系の応答を調整することができ、また、下記（１９）により目標操舵トルクｕを算出することができる。
【００７４】
【式１９】

【００７５】
なお、この場合でも、車両１に対して自動操舵制御を実行した状態での動特性を実験やシミュレーションで充分に確認し、その動特性を考慮しつつ適宜選定する必要がある。しかし、実際には基準走行ラインへの追従速度を行列ｑ_hで調整し、そのときの車両の安定度が不足気味なら行列Ｑ'の要素を徐々に大きい値へ修正していく程度で望ましい応答が得られる場合が多い。
【００７６】
図９は、コントローラ２０の処理手順を示す。コントローラ２０はこの処理を所定のサンプリング・クロックに同期して実行する。
自動操舵制御が実行されると、先ずステップＳ１において、コントローラ２０は、舵角センサ１４からの舵角検出信号δ_f、車速センサ１９からの車速検出信号Ｖ、及びＣＣＤカメラ１７から画像をそれぞれ読み込む。
【００７７】
なお、車速検出信号Ｖは、オブザーバ１１０の行列Ａ，Ｂ，Ｃの要素を決定するのに必要な情報であるため、車速Ｖとして行列Ａ，Ｂ，Ｃに取り込まれることになる。
続いてステップＳ２において、コントローラ２０は、前記ステップＳ１で読み込んだ画像に基づいて、前記前方注視点横変位ｙ_srを検出する。
【００７８】
続いてステップＳ３において、コントローラ２０は、オブザーバ１１０に基づいた演算（前記（１０）式）を実行することで、実際の車両状態量ｘを推定する演算を行い、車両状態推定ベクトルｚを出力する。
続いてステップＳ４において、コントローラ２０は、前記ステップＳ３で得た車両状態量推定ベクトルｚと、２種類の減衰特性の異なるＫ₀，Ｋ₁とに基づいて、２種類の減衰特性の異なる安定化制御トルクｕ₀，ｕ₁を得る（前記（１９式）により得る）。すなわち、
ｕ₀＝−Ｋ₀ｚ，ｕ₁＝−Ｋ₁ｚ
を得る。
【００７９】
続いてステップＳ５において、コントローラ２０は、前記ステップＳ２で検出した前記前方注視点横変位ｙ_srと基準走行ラインｙ_refとの偏差Δｆを積算し、その積算値にゲインＫ₂を乗算し、基準走行ライン追従トルクｕ₂を算出する。
また、このステップＳ５において、コントローラ２０は、その基準走行ライン追従トルクｕ₂に対して所定の上限値又は下限値によるリミット処理を行うとともに、前記横変位ｙ_srと基準走行ラインｙ_refとの偏差Δｙの積算値についてもリミット処理を行う。そして、リミット時にリミットフラグをセットする。このようにそれぞれリミット処理することで、偏差積分値の絶対値がそれ以上増加しないようにする。すなわち、基準走行ライン追従トルクｕ₂がリミット処理された時点での前記横変位ｙ_srと基準走行ラインｙ_refとの偏差Δｙの積算値が上限値又は下限値になる。
【００８０】
続いてステップＳ６において、コントローラ２０は、前記ステップＳ５で得た基準走行ライン追従トルクｕ₂がリミット処理されているか否かの判定を行う。すなわち、前記リミットフラグがセットされているか否かを判定し、基準走行ライン追従トルクｕ₂がリミット処理されているか否かの判定を行う。ここで、コントローラ２０は、基準走行ライン追従トルクｕ₂がリミット処理されている場合、ステップＳ７に進み、基準走行ライン追従トルクｕ₂がリミット処理されていない場合、ステップＳ８に進む。
【００８１】
ステップＳ７では、コントローラ２０は、第１の安定化制御トルクｕ₀を安定化制御トルクｕ_sとして決定する。一方、コントローラ８では、コントローラ２０は、第２の安定化制御トルクｕ₁を安定化制御トルクｕ_sとして決定する。このようにステップＳ７及びステップＳ８により、コントローラ２０は、基準走行ライン追従トルクｕ₂がリミット処理されている場合とそうでない場合に応じて２種類の安定化制御トルクｕ₀，ｕ₁を切り換えて安定化制御トルクｕ_sを決定している。
【００８２】
続いてステップＳ９において、コントローラ２０は、この安定化制御トルクｕ_sと基準走行ライン追従トルクｕ₂とを加算して、目標操舵トルクｕを得る。ここでは、例えば、制御される操舵トルクが滑らかに推移するような処理を行う。
続いてステップＳ１０において、コントローラ２０は、ステップＳ９で得た目標操舵トルクｕの出力処理としてアクチュエータ駆動処理行う。すなわち、コントローラ２０は、自動操舵機構１０の電動モータ１０ａへの電流を制御してステアリングシャフト４に目標駆動トルクを入力することで、その目標操舵トルクとなるように車両の前輪３Ｌ，３Ｒに舵角を発生させる。ここでの制御として、例えば、自動操舵機構を構成している電動モータ１０ａに印加する電流をＨブリッジ回路を用いたＰＷＭ機構等によって制御し、目標操舵トルクｕを操舵系に入力する。
【００８３】
このステップＳ１０の処理が終了したら、今回の処理を終了する。その後は、所定のサンプリング時刻が経過するまで待機した後に、前記ステップＳ１から処理を再び実行する。
以上のような手順でコントローラ２０は処理を行う。このような処理により、車両は、基準走行ライン追従トルクの作用により曲率のある道路を追従して走行するとともに、安定化制御トルクの作用によりその曲率を有する道路に沿って安定して走行するようになる。
【００８４】
次に効果を説明する。
前述したように、基準走行ライン追従トルクｕ₂に対して所定の上限値又は下限値によるリミット処理を行うとともに、横変位ｙ_srと基準走行ラインｙ_refとの偏差Δｙの積算値についてもリミット処理を行うことで（前記ステップＳ５）、基準走行ライン追従トルクｕ₂の過剰な発生を抑え、これにより過剰な目標操舵トルクｕの発生を抑えることができる。
【００８５】
これにより、例えば、運転者の操舵介入が原因でなかなか基準走行ラインに到達しない状態から、運転者が急に操舵介入を中止した場合であっても、基準走行ライン追従トルクｕ₂の残留成分の影響で基準走行ラインを通り過ぎても未だ操舵トルクが入力され続けるような状態を防止できる。また同様に、強めの外乱が急に減少した場合や外乱の向きが急に変化した場合、さらには基準走行ラインの位置を大きく変更した場合等の状況において、余分な車両挙動を発生することなく車両１を走行させることができる。
【００８６】
リミット処理を行うことで以上のような効果がある一方で、リミット処理が作動している場合には、目標軌道が基準走行ライン追従トルクを増加させる方向へどんなに変化しても算出される基準走行ライン追従トルクが一定値になるので、等価的にオフセットトルクのフィードバックゲインが小さくなる。これは、本来は積分値が増大していく過程であるにも拘わらず基準走行ライン追従トルクが一定値で維持されるので、リミット処理が作動している間は、ゲインが小さくなっていくのと等価となるからである。そして、このような場合、制御系全体として減衰が過度に強い状態になってしまう。すなわち、状態フィードバックにより車両の姿勢を現状にとどめようとする作用が過剰に作用し、基準走行ラインへの移動を阻害する制御が行われてしまう。
【００８７】
このような事態に対応して、安定化制御トルクｕ_sを基準走行ライン追従系とは独立して設定可能とし、基準走行ライン追従トルクｕ₂の変化に応じて安定化制御トルクｕ_sを変化させることにより、基準走行ライン追従トルクｕ₂に関する制限が定常的に系に作用した場合に発生してしまう急激なトルク変化や走行位置の変化を抑止することができる。具体的には、基準走行ライン追従トルクｕ₂のリミット処理作動時には、安定化制御トルクｕ_sも小さくすることで、すなわちレギュレータゲインＫ_s（車両状態量のフィードバックゲイン）を小さい値に変更（前記ステップＳ７においてレギュレータゲインＫ_sとしてレギュレータゲインＫ₁を選択）することで、系の減衰力を相対的に低下させて、基準走行ライン追従系の過減衰状態を解消する。このようにすることで、車両１の移動速度を適切にすることができる。
【００８８】
以上のように、リミッタ処理の作動時に、車両状態を安定させるための状態フィードバック制御を変化させることで、目標軌道への追従速度を劣化させてしまうことを解消でき、目標軌道への追従性と走行安定性とを両立することができる。
また、安定化制御トルクｕ_sの調整或いは補正を、複数のレギュレータゲインＫ₀，Ｋ₁を用意するだけでよく、すなわち基準走行ライン追従トルクｕ₂のリミット処理の作動により発生する基準走行ライン追従系の過減衰状態が起きないようにレギュレータゲインＫ_sを設計しておくだけでよく、目標軌道への追従性と走行安定性とを両立することができるシステムを簡単な構成として構築することができる。
【００８９】
また、前述したようにオブザーバ１１０としてカルマンフィルタを用いているので、より好適な演算を実効することができる。すなわち、オブザーバゲインの要素数は出力数（センサの個数）と状態変数との組み合わせ（出力数（センサの個数）×状態変数）になるので、安定で（オブザーバの極の実部が全て負の値であって）、推定精度が良く、かつセンサのノイズ成分を有効に除去することが可能なオブザーバの設計は一般に易しくない。一方、カルマンフィルタの設計にあたっては、センサのノイズや車両に作用するプロセスノイズの分散値が設計のパラメータとして必要ではあるが、これらは予め調べることが可能であるため、ほとんど試行錯誤することなくオブザーバゲインを設計することが可能である。このようなことから、前述したようにオブザーバ１１０としてカルマンフィルタを用いることで、より好適な演算を実効することが可能になる。
【００９０】
以上、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施の形態として実現されることに限定されるものではない。
すなわち、前述の実施の形態では、ＣＣＤカメラ１７が撮影した画像に基づいて、車両１の基準走行ラインに対する相対位置（横変位）を検出しているが、これに限定されるものではい。例えば、公知の誘導ケーブル方式や公知の磁気マーカ方式によって横変位を検出するようにしてもよい。或いは、特開平３−２９３４１１号公報に開示される技術のように、走行路に沿って設置されたガードレールと車両との間の距離を超音波を利用して測定し、その測定した距離から基準走行ラインに対する車両の横方向位置を検出してもよい。さらには、複数の方式を組み合わせてもよい。
【００９１】
また、前述の実施の形態では、前輪３Ｌ，３Ｒを操舵するようにしているが、後輪を操舵するようにしてもよいし、或いは、前輪及び後輪の両方を操舵するようにしてもよい。
また、前述の実施の形態では、操舵角のみが自動制御できるようになっているが、これに限定されるものではない。例えば、４輪のブレーキや駆動を独立に制御することができるアクチュエータを設け、そのアクチュエータの状態をコントローラ２０から供給する制御信号によって制御可能とすることで、車両のヨーモーメントを任意に制御できるようにしてもよい。
【００９２】
また、前述の実施の形態では、リミッタ処理作動時に選択される第１の安定化制御トルクｕ₀は１種類に限るものではなく、複数種類であってもよい。具体的には、車両１の横方向の移動速度が大きくなるときに徐々に小さくなるような複数のレギュレータゲインを用意し、この複数のレギュレータゲインを用いて複数の第１の安定化制御トルクｕ₀を得るようにする。この場合、横方向の移動速度に合わせてレギュレータゲインを変更して、第１の安定化制御トルクｕ₀（安定化制御トルクｕ_s）を得ることで、多少移動速度は低下するが、より滑らかな車両挙動を得ることができる。すなわち、目標走行ライン追従トルクがリミット処理されている状態におけるレギュレータゲイン切り換え時には、ゲインの切り換えに伴う目標操舵トルクの変動や車両の横方向への移動速度を考慮した設定をきめ細く行うことが可能になり、これにより、なめらかな車両の走行を保つことが可能になる。
【００９３】
なお、ここでは、車両状態を車両１の横方向の移動速度とし、その移動速度に応じてレギュレータゲインを決定し、そして第１の安定化制御トルクｕ₀を変更しているが、他の車両状態に応じてレギュレータゲインし、第１の安定化制御トルクｕ₀を変更してもよい。
また、ゲイン切り換え後に車両が基準走行ライン上を交差する瞬間か、又は基準走行ライン上を交差することが予想されたとき、基準走行ライン追従トルクｕ_sを０にすると同時に基準走行ラインを修正する。具体的には、制御目標としている基準走行ラインを現在走行している走行ラインに修正する。これにより、車両の目標軌道に対する行き過ぎ量（オーバーシュート量）を極力減らし、より望ましい走行状態を保つことができる。
【００９４】
また、前述の実施の形態では、図７に積算部１４０の具体的な構成を示したが、これに限定されるものではない。例えば、積算部１４０を図１０に示すように構成してもよい。
この場合、積算部１４０は、前記加算部１２３からの前方注視点横変位ｙ_srと基準走行ラインｙ_refとの偏差Δｙと、１サンプリング時刻前の偏差Δｙとの移動平均を演算し、演算した値にサンプリング時間Ｔ／２を乗じる。そしてその値に、１サンプリング時間前の積算値を加算し、リミット処理部１４１で所定のリミット処理を行って最新の積算値を算出する。
【００９５】
なお、積算部１４０中のｑ^-1はシフト演算子であり、入力された信号をｑ^-1で１サンプリング時刻だけ遅れて出力する。また、リミット処理部１４１で用いる積算値の上限値及び下限値は、基準走行ライン追従トルクｕ₂が所定の上限値及び下限値の範囲内にとどまるように決定している。
そして、基準走行ライン追従トルク発生部１３０は、このような積算部１４０により算出した積算値に乗算部１３１でゲインＫ₂を乗じ、基準走行ライン追従トルクｕ₂を得る。
【００９６】
この図１０に示す積算部１４０と前記図７に示す積算部１４０とでは演算精度が違っている。すなわち、前記図７に示す積算部１４０は、サンプリング時点での値だけを考慮する零次ホールド回路による近似演算を用いた構成をなし、図１０に示す積算部１４０は、サンプリング区間の前後の値を考慮した台形公式による近似演算を用いた構成をなしている。図７に示す積算部１４０による演算と図１０に示す積算部１４０による演算とは実質的には同じ演算であるが、得られる精度に差がある。例えば、サンプリング時間Ｔをあまり小さくできない等の制約がある場合、台形公式を用いた方が演算精度が高く、また滑らかに変化する結果を得られるので、この場合には、図１０に示す積算部１４０を用いる方がよい。このように使用状況等に応じて使い分けるようにしてもよい。
【００９７】
なお、前述の実施の形態において、ＣＣＤカメラ１７及びステップＳ１の処理は、基準走行ラインに対する車両の横方向の相対位置を検出する相対位置検出手段を構成し、オブザーバ１１０、基準走行ライン追従トルク発生部１３０、安定化制御トルク発生部（Ｋ_s）１２４、及び加算器１２２，１２３は、相対位置検出手段の検出結果に応じて目標操舵トルクを演算する目標操舵トルク演算手段を構成し、自動操舵機構１０は、目標操舵トルクに基づいて車両の転舵輪に舵角を発生させる舵角発生手段を構成している。
【００９８】
また、目標操舵トルク演算手段を構成するオブザーバ１１０、基準走行ライン追従トルク発生部１３０、安定化制御トルク発生部（Ｋ_s）１２４、及び加算器１２２，１２３のうち、オブザーバ１１０は、車両が走行中の道路の曲率を推定する道路曲率推定手段と、相対位置検出手段の検出結果に基づいて車両の走行状態を推定する走行状態推定手段とを構成し、安定化制御トルク発生部（Ｋ_s）１２４は、走行状態推定手段が得た車両の走行状態に基づいて、道路曲率推定手段が得た道路曲率の基準走行ラインを基準にして車両を安定にする安定化制御トルクを算出する安定化制御トルク演算手段を構成し、基準走行ライン追従トルク発生部１３０及び加算器１２３は、相対位置検出手段が検出した相対位置に基づいて基準走行ラインに対する実際の走行ラインのずれ量を算出し、ずれ量に基づいて車両を基準走行ラインに追従走行させるための基準走行ライン追従トルクを算出する基準走行ライン追従トルク演算手段を構成し、加算器１２２は、安定化制御トルクと基準走行ライン追従トルクとを加算して目標操舵トルクを算出する加算手段を構成している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における車両の平面図である。
【図２】層だけいの一部を拡大した斜視図である。
【図３】車両の２輪モデル図である。
【図４】曲線走行状態をモデルとするオブザーバを用いた自動操舵系の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態におけるコントローラの基本的な機能構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態における基準走行ライン追従トルク発生部の構成を示すブロック図である。
【図７】前記基準走行ライン追従トルク発生部の積算部の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態における安定化制御トルク発生部の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の実施の形態におけるコントローラの処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】前記基準走行ライン追従トルク発生部の積算部の他の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１車両
２ステアリングホイール
３Ｌ，３Ｒ前輪（操舵輪）
１０自動操舵機構
１４舵角センサ
１７ＣＣＤカメラ
１９車速センサ
２０コントローラ
１１０オブザーバ（カルマンフィルタ）
１２２，１２３加算器
１２４安定化制御トルク発生部
１３０基準走行ライン追従トルク発生部
１４０積算部

Claims

基準走行ラインに対する車両の横方向の相対位置を検出する相対位置検出手段と、前記相対位置検出手段の検出結果に応じて目標操舵トルクを演算する目標操舵トルク演算手段と、前記目標操舵トルクに基づいて車両の転舵輪に舵角を発生させる舵角発生手段と、を備えた自動操舵装置において、
前記目標操舵トルク演算手段は、車両が走行中の道路の曲率を推定する道路曲率推定手段と、前記相対位置検出手段の検出結果に基づいて車両の走行状態を推定する走行状態推定手段と、前記走行状態推定手段が得た車両の走行状態に基づいて、前記道路曲率推定手段が得た道路曲率の基準走行ラインを基準にして車両を安定にする安定化制御トルクを算出する安定化制御トルク演算手段と、前記相対位置検出手段が検出した前記相対位置に基づいて前記基準走行ラインに対する実際の走行ラインのずれ量を算出し、前記ずれ量に基づいて車両を基準走行ラインに追従走行させるための基準走行ライン追従トルクを算出する基準走行ライン追従トルク演算手段と、前記安定化制御トルクと前記基準走行ライン追従トルクとを加算して前記目標操舵トルクを算出する加算手段とを備えたことを特徴とする自動操舵装置。
前記基準走行ライン追従トルク演算手段が基準走行ライン追従トルクを制限している場合、前記安定化制御トルク演算手段は、安定化制御トルクを減少方向に補正することを特徴とする請求項１記載の自動操舵装置。
前記基準走行ライン追従トルク演算手段は、前記基準走行ラインに対する実際の走行ラインのずれ量の積算値に基づいて前記基準走行ライン追従トルクを算出しており、
前記ずれ量の積算値が所定値を超えた場合、前記基準走行ライン追従トルク演算手段が、前記ずれ量の積算値を増加させないリミット処理、又は前記基準走行ライン追従トルクを増加させないリミット処理の少なくとも一方を行うとともに、前記安定化制御トルク演算手段が、安定化制御トルクを減少方向に補正することを特徴とする請求項２記載の自動操舵装置。
前記道路曲率推定手段及び走行状態推定手段は、曲線路である基準走行ラインを基準に定義された車両の状態量を推定するオブザーバとして構成され、
前記安定化制御トルク演算手段は、前記オブザーバが推定した車両の状態量にレギュレータゲインを乗じて前記安定化制御トルクを算出し、
前記安定化制御トルク演算手段は、前記レギュレータゲインを変更することで前記安定化制御トルクを減少方向に補正することを特徴とする請求項２又は３に記載の自動操舵装置。
前記前記基準走行ライン追従トルク演算手段が基準走行ライン追従トルクの制限をかけるまで、前記安定化制御トルク演算手段は、前記オブザーバが推定した車両の状態量に乗じるレギュレータゲインを、車両の状態に応じて変化させることを特徴とする請求項４記載の自動操舵装置。
前記オブザーバはカルマンフィルタであることを特徴とする請求項４又は５に記載の自動操舵装置。