JP5982034B1

JP5982034B1 - 車両の運転支援システム

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Publication number: JP5982034B1
Application number: JP2015068383A
Authority: JP
Inventors: 志郎江副
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2035-03-30
Also published as: US20160288785A1; DE102016104753B4; DE102016104753B9; DE102016104753A1; CN106004857B; CN106004857A; JP2016187995A

Abstract

【課題】操舵制御と減速制御との協調制御を最適化し、目標進行路への追従精度を確保しながら車体バネ系の乱れを抑制する。【解決手段】減速度補正値演算部１４において、目標舵角演算部１２で算出した目標舵角での目標車速に対して実舵角で同じ旋回曲率となる補正車速を求める。そして、減速度補正部１５において、目標減速度演算部１３で算出された目標減速度を予め設定した時間後に目標車速から補正車速となるように補正する。これにより、操舵の切り返しを発生させることなく目標舵角と実舵角との偏差に基づく舵角制御のフィードバック補正分を小さくし、目標進行路への追従精度を確保しながらハンチングを防止して車体バネ系の乱れを抑制する。【選択図】図１

Description

本発明は、操舵制御及び減速制御を介して自車両を目標進行路に追従走行させる車両の運転支援システムに関する。

一般に、自動車等の車両においては、ステアリング制御とブレーキ制御とは、それぞれ独立した機能として備えられており、例えば減速しながら旋回するような場合、ドライバに要求されるステアリング操作量やブレーキ操作量が大きくなるため、ドライバへの操作負担が大きくなるという問題がある。

これに対処するに、特許文献１には、ステアリング制御とブレーキ制御のいずれをメインに行うかを選択し、その選択結果に基づいて、メインとされる側に対して行わせる車両旋回運動の要求値であるメイン側要求値を出力すると共に、メインとされない側に目標値とメイン側要求値との差に応じた要求値である非メイン側要求値を出力することで、ステアリング制御とブレーキ制御の協調制御を行い、ドライバへの操作負担を軽減する技術が開示されている。

特開２０１１−１６２００４号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術は、操舵制御と減速制御とに一義的に車両旋回運動の要求値を配分するのみであり、両者の協調タイミングや協調度合いについて、必ずしも最適化されているとは言えない。

例えば、図６に示すように、自車両をカーブの目標進行路に沿って走行させる場合、操舵制御では、応答遅れや制御誤差を補償するフィードバック補正分により、実際には同図中に破線で示すような制御軌跡となり、車体バネ系の挙動が乱れて乗り心地が悪化する虞がある。これを避けるため、減速制御の配分を増加させて操舵制御のフィードバック補正分を一義的に減らしても、操舵の切り返しが発生し、目標進行路への追従精度が悪化する虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、操舵制御と減速制御との協調制御を最適化し、目標進行路への追従精度を確保しながら車体バネ系の乱れを抑制することのできる車両の運転支援システムを提供することを目的としている。

本発明の一態様による車両の運転支援システムは、操舵制御及び減速制御を介して自車両を目標進行路に追従走行させる車両の運転支援システムにおいて、前記目標進行路のカーブ区間を通過する際の目標舵角を、前記カーブ区間の緩和曲線部に続く円弧曲線部で最大舵角となる目標値として算出する目標舵角演算部と、前記カーブ区間における目標減速度を、前記円弧曲線部における最大横加速度が設定値以下となる減速度として算出する目標減速度演算部と、前記目標舵角と実舵角とに基づいて、前記目標減速度による目標車速を補正する補正車速を算出する減速度補正値演算部と、前記目標車速が前記補正車速となるように前記目標減速度を補正する減速度補正部とを備えるものである。

本発明によれば、操舵制御と減速制御との協調制御を最適化し、目標進行路への追従精度を確保しながら車体バネ系の乱れを抑制することができる。

車両の運転支援システムの構成図カーブ進入の目標進行路を示す説明図カーブ進入時の目標舵角及び目標減速度を示す説明図目標車速の補正を示す説明図カーブ走行制御のフローチャート従来のカーブ走行時の制御軌跡を示す説明図

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１において、符号１は車両の運転支援システムであり、ドライバの運転操作に対して、自車両の外部環境の認識結果に基づく自動運転を含む運転支援制御を実行する。この運転支援システム１は、走行制御装置１０を中心として、外部環境監視装置２０、エンジン制御装置３０、ブレーキ制御装置４０、ステアリング制御装置５０、警報制御装置６０等が車載ネットワーク１００に接続されて構成されている。

外部環境監視装置２０は、自律的に外部環境を認識可能な装置群と、外部との通信を介して情報を取得する装置群とを併用して構成されている。前者の装置群としては、車両の外部環境を撮影した画像を処理して外部環境を認識するカメラユニット２０Ａ、車両の周辺に存在する立体物からの反射波を受信するレーダユニット（レーザレーダ、ミリ波レーダ、超音波レーダ等）２０Ｂ等がある。また、後者の装置群としては、ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）等を利用して自車位置(経度、緯度、高度）を測位する自車位置測位ユニット２０Ｃ、自車位置測位ユニット２０Ｃと一体的に構成され、測位した自車位置を地図画像上に表示して経路案内を行うと共に、システム内に保有する精細な地図データを用いて道路の形状や分岐点（交差点）の位置座標データ、道路種別（高速道路、幹線道路、市道等）のデータ、地図上のノード点付近に存在する施設情報に関するデータ等を出力するナビゲーションユニット２０Ｄ、路車間通信や車車間通信による道路交通情報を取得する道路交通情報通信ユニット２０Ｅ等がある。

ここで、カメラユニット２０Ａは、本実施の形態においては、ステレオカメラ２１と、画像処理部２２とを一体化して構成されている。ステレオカメラ２１は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子を用いた左右１組のカメラで構成されている。これら１組のカメラは、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し、撮像画像を画像処理部２２に出力する。

画像処理部２２は、左右１組のステレオカメラ２１で撮像した自車両前方の左右一対の画像に対し、対応する位置のずれ量から三角測量の原理によって距離情報を生成する。そして、この距離情報に基づいて自車両前方の立体物、道路の白線、ガードレール等の外部環境を認識し、これらの認識情報等に基づいて自車進行路を演算する。さらに、画像処理部２２は、認識した立体物のデータ等に基づいて自車走行路上の先行車を検出し、自車両と先行車との車間距離、自車両に対する先行車の車速（相対速度）、先行車の加速度（減速度）等を演算し、先行車情報として走行制御装置１０へ出力する。

エンジン制御装置３０は、車両のエンジン（図示せず）の運転状態を制御する周知の制御装置であり、例えば、吸入空気量、スロットル開度、エンジン水温、吸気温度、空燃比、クランク角、アクセル開度、その他の車両情報に基づき、燃料噴射制御、点火時期制御、電子制御スロットル弁の開度制御等の主要な制御を行う。

ブレーキ制御装置４０は、例えば、ブレーキスイッチ、４輪の車輪速、ハンドル角、ヨーレート、その他の車両情報に基づき、４輪のブレーキ装置（図示せず）をドライバのブレーキ操作とは独立して制御可能で、周知のアンチロック・ブレーキ・システム（Antilock Brake System）や、横すべり防止制御等の車両に付加するヨーモーメントを制御するヨーモーメント制御、及び、ヨーブレーキ制御を行う周知の制御装置である。そして、ブレーキ制御装置４０は、走行制御装置１０から、各輪のブレーキ力が入力された場合には、該ブレーキ力に基づいて各輪のブレーキ液圧を算出し、ブレーキ駆動部（図示せず）を作動させる。

ステアリング制御装置５０は、例えば、車速、ドライバの操舵トルク、ハンドル角、ヨーレート、その他の車両情報に基づき、車両の操舵系に設けた電動パワーステアリングモータ（図示せず）によるアシストトルクを制御する、周知の制御装置である。また、ステアリング制御装置５０は、上述の走行車線を設定車線に維持して走行制御するレーンキープ制御、走行車線からの逸脱防止制御を行う車線逸脱防止制御が可能となっており、これらレーンキープ制御、車線逸脱防止制御に必要な操舵角、或いは、操舵トルクが、走行制御装置１０により算出されてステアリング制御装置５０に入力され、入力された制御量に応じて電動パワーステアリングモータが駆動制御される。

警報制御装置６０は、車両の様々な装置に異常が生じた場合、警報を適宜発生する装置であり、例えば、モニタ、ディスプレイ、アラームランプ等の視覚的な出力と、スピーカ・ブザー等の聴覚的な出力との少なくとも一方を用いて、警告・報知を行う。また、ドライバのオーバーライド操作による運転支援制御の休止時には、現在の運転状態をドライバに報知する。

以上の各装置を有する運転支援システム１の中心となる走行制御装置１０は、各装置２０，３０，４０，５０からの情報や、車速センサ、舵角センサ、ヨーレートセンサ、横加速度センサ等の各種センサ類７０で検出した自車両の運転状態情報に基づいて、追従走行を含む定速走行制御、レーンキープ制御、車線逸脱防止制御等を協調させて自動運転を含む運転支援制御を行う。特に、自動運転でカーブを通過する際には、目標進行路に対する追従精度を確保しつつ車体挙動の変化を抑制するため、操舵制御と減速制御との協調制御を最適化して実行する。

このため、走行制御装置１０は、カーブ走行における操舵及び減速の協調制御機能として、図１中に示すように、目標進行路演算部１１、目標舵角演算部１２、目標減速度演算部１３、減速度補正値演算部１４、減速度補正部１５、舵角制御部１６を備えている。これらの機能部による操舵及び減速の協調制御は、ブレーキによるヨー制御を最適化して操舵によるヨー制御の応答遅れや誤差に起因するハンチングを抑制するものであり、カーブ進入時の減速タイミング及び減速度の大きさを最適に設定することにより、操舵の切り返しを発生させることなく操舵制御のフィードバック補正分を減らすことにより、目標進行路への追従精度を確保しながら車体バネ系の乱れを抑制する。

具体的には、目標進行路演算部１１は、外部環境監視装置２０から取得した自車両の位置情報（緯度、経度）、走行路を構成する地図データ上の各ノード点の位置（緯度、経度）、道路の直線区間、カーブ区間（緩和曲線部、円弧曲線部）のデータ、道路白線データ等に基づいて、自車両の目標進行路を演算する。カーブ走行における自車両の目標進行路は、例えば、図２に示すように、カーブの深さ（交角）θで、直線区間Ｓから緩和曲線部Ｃ１を経て、一定のカーブ半径Ｒとなる円弧曲線部Ｃ２に連結される経路として設定され、自車両の重心位置を原点とし、車体前方側をＸ軸、車幅方向をＹ軸とする車両座標系において、道路形状データ及び白線データから認識される自車両の走行車線の中央を通る曲線として算出される。

目標舵角演算部１２は、自車両の速度Ｖ、自車両位置（ｘ，ｙ）、目標進行路に対するヨー角θyaw等に基づいて、目標進行路に追従して走行するための目標舵角δrefを演算し、減速度補正値演算部１４及び舵角制御部１６に出力する。カーブ区間における目標舵角δrefは、緩和曲線部での目標舵角δref_clと円弧曲線部での目標舵角δref_rとを含み、図３に示すように、緩和曲線部Ｃ１における舵角波形が円弧曲線部Ｃ２でのカーブ半径（最小半径）Ｒと車両諸元より求まる最大舵角δmaxに収束するような目標値として演算される。

ここで、緩和曲線部Ｃ１における目標舵角δref_clは、自車両の横加加速度（横ジャーク：ｄ³ｙ／ｄｘ³）が最小となる目標値として算出される。例えば、以下の（１）式に示すように、ジャーク最小軌跡に係る多項式を微分処理した関数Ｊ(x)を用い、この関数Ｊ(x)による最小値を与える波形として目標舵角が求められる。尚、（１）式におけるＡ，Ｂはカーブ形状に係る調整パラメータである。
Ｊ(x)＝３０・(ｘ／Ａ)⁴−６０・(ｘ／Ａ)³＋３０・(ｘ／Ａ)²・Ｂ／Ａ² …（１）

目標減速度演算部１３は、自車両の速度Ｖ、目標進行路（Ｘ，Ｙ，Ｒ）に基づいて、カーブ半径（最小半径）Ｒでの最大横加速度を設定値（例えば０．２Ｇ）以下とする減速度を目標減速度Ｄrefとして演算する。この目標減速度Ｄrefは、図３に示すように、緩和曲線部Ｃ１の区間で自車両の車速を目標車速Ｖrefに減速し、円弧曲線部Ｃ２では一定速度で走行可能とするための減速度である。

減速度補正値演算部１４は、目標舵角演算部１２で算出した目標舵角δrefと舵角センサによって検出した実舵角δHとに基づいて、目標減速度Ｄrefを補正するための補正値を演算する。この補正値は、目標減速度Ｄrefを目標舵角δrefと実舵角δHとの偏差に応じて増減するための車速補正値であり、目標舵角δref及び目標車速Ｖrefに対して、実舵角δHで同じ旋回曲率となる補正車速（補正後の目標車速）Ｖref2として算出される。そして、次の減速度補正部１５において、現在の目標減速度Ｄrefによる目標車速Ｖrefが補正車速Ｖref2となるように、目標減速度Ｄrefが補正される。

すなわち、目標進行路からのずれに応じて、減速度を最適なタイミングで調整してブレーキによるヨーモーメントを増減させることで、操舵の切り返しを発生させることなく目標舵角δrefと実舵角δHとの偏差に基づく舵角制御のフィードバック分を小さくする。これにより、目標進行路に対する追従精度を確保しながら、ハンチングを防止して車体バネ系の乱れを抑制することができる。

具体的には、例えば、図４に示すように、舵角δと曲率ρと車速Ｖとの関係を予めマッピングしておき、作成した補正マップを目標舵角δrefと現在の実舵角δHとに基づいて参照する。図４は、目標舵角δrefよりも実舵角δHが小さい場合を例示しており、目標舵角δref及び目標車速Ｖrefでの旋回曲率と同じ曲率を得られる実舵角δHでの車速が低速側の補正車速Ｖref2として求められ、現在の目標車速Ｖrefがより低速の補正車速Ｖref2になるように、目標減速度Ｄrefが大きくされる。

逆に、道路のカント等によって実舵角δHが目標舵角δrefよりも大きくなり過ぎた場合には、補正車速Ｖref2は目標車速Ｖrefよりも高い車速として求められ、現在の目標車速Ｖrefがより高速の補正車速Ｖref2になるように、目標減速度Ｄrefが小さくされる。すなわち、目標舵角δrefに対する実舵角δHの過不足が発生すると、これに応じて目標減速度Ｄrefが増減され、目標舵角δrefに対する実舵角δHの過不足分が補償される。

補正車速Ｖref2を求める補正マップは、緩和曲線部における曲率が一定位置毎に線形的に変化するものとして適用される定常円旋回の二輪モデルにより、又は実機を用いた適合によって作成することができる。以下の（２）式は、二輪モデルによる舵角δと曲率ρとの関係を示しており、これらの関係を用いて作成した補正マップにより、曲率一定となる補正車速Ｖref2を求めることができる。
δ＝(１／Ｒ)・(Ｌ−Ｍ・Ｖ²・(Ｌf・Ｋr−Ｌr・Ｋr)／(２・Ｋf・Ｋr・Ｌ)
＝ρ・(Ｌ＋Ａst・Ｖ²) …（２）
但し、
Ａst＝−Ｍ・(Ｌf・Ｋr−Ｌr・Ｋr)／(２・Ｋf・Ｋr・Ｌ)
Ｋf：前輪コーナリングパワー
Ｋr：後輪コーナリングパワー
Ｌf：重心点−前輪間距離
Ｌr：重心点−後輪間距離
Ｌ：ホイールベース（Ｌf＋Ｌr）
Ｍ：車両質量

減速度補正部１５は、予め設定した時間Ｔd後に目標車速Ｖrefが補正車速Ｖref2となるように目標減速度Ｄrefを補正する。設定時間Ｔdは、長いと減速度補正の効果が弱く、短いとドライバに与える減速感やピッチング変動感が強くなって運転フィーリングが悪化するため、実機を用いた適合等によって最適に設定される。

舵角制御部１６は、目標舵角δrefと実舵角δHとの偏差に基づいて目標操舵トルクを演算し、ステアリング制御装置５０を介して電動パワーステアリングモータを制御する。この目標トルクへの制御は、具体的には、ステアリング制御装置５０を介した電動パワーステアリングモータの電流制御として実行され、例えば、ＰＩＤ制御による以下の（３）式に示す駆動電流ＩＭによって電動パワーステアリングモータが駆動される。
Ｉ=Ｋv・(Ｋp・(δref-δH)+Ｋi・∫(δref-δH)ｄｔ+Ｋd・ｄ(δref-δH)/ｄｔ+Ｋf/Ｒ) …（３）
但し、Ｋv：モータ電圧−電流の変換係数
Ｋp：比例ゲイン
Ｋi：積分ゲイン
Ｋd：微分ゲイン
Ｋf：カーブ旋回に対するフィードフォワードゲイン

このとき、舵角制御と並行して実施される目標減速度Ｄrefの補正によるヨーブレーキの調整により、舵角制御におけるフィードバック補正分が実質的に減少される。その結果、フィードバック補正の変動による車体バネ系の乱れを抑制しつつ、自車両を目標進行路に沿って精度良く追従させることができる。

次に、走行制御装置１０によるカーブ走行制御のプログラム処理について、図５のフローチャートを用いて説明する。

このカーブ走行制御では、最初のステップＳ１において、カメラユニット２０Ａの前方認識情報やナビゲーションユニット２０Ｄの地図情報から、前方のカーブの形状データ（カーブの深さ、カーブ最小半径、クロソイドパラメータ、道路幅、白線形状等）を取得し、これらのデータに基づいて自車両の目標進行路を算出する。

次に、ステップＳ２に進み、カーブ区間における目標舵角δrefを算出する。目標舵角δrefは、緩和曲線部において横ジャークが最小となり、円弧曲線部でカーブ半径Ｒと車両諸元より求まる最大舵角δmaxとなる波形を与える目標値である（図３参照）。

更に、ステップＳ３で、自車両を減速させて目標車速Ｖrefとする目標減速度Ｄrefを算出する。目標減速度Ｄrefは、カーブ区間の緩和曲線部に続く円弧曲線部での横加速度を、所定の一定値（例えば０．２Ｇ）以下とする目標値である。

その後、ステップＳ４に進んで自車両位置がカーブ区間の緩和曲線部に進入しているか否かを調べる。そして、未だカーブ（緩和曲線部）に進入していない場合にはルーチンを抜け、カーブ（緩和曲線部）に進入した場合、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では舵角センサで検出した実舵角δHを読み込み、ステップＳ６で、目標舵角δref及び実舵角δHに基づく補正マップ（図４参照）を用いる等して、目標車速Ｖrefに対して曲率一定となる補正車速Ｖref2を算出する。そして、ステップＳ７で、設定時間Ｔd経過後に補正車速Ｖref2となるように現在の目標減速度Ｄrefを設定量だけ増減する等して目標減速度Ｄrefを補正する。この目標減速度Ｄrefの補正により、緩和曲線部における目標舵角δrefと実舵角δHとの偏差によるフィードバック補正分が減少する。

その後、ステップＳ８に進んで緩和曲線部から最小カーブ半径の円弧曲線部に接続される減速完了位置を通過したか否か判定する。その結果、減速完了位置を通過した場合には、Ｓ９に進んでカーブ走行の減速制御を解除し、ブレーキ制御装置４０を介してブレーキ駆動部に対する制御信号（目標ブレーキ液圧）の出力を解除する。また、減速完了位置を通過していない場合には、ステップＳ１０に進んでカーブ走行の減速制御を継続して、ブレーキ駆動部に対する制御信号（目標ブレーキ液圧）の出力を継続する。

このように本実施の形態においては、カーブ進入時の減速タイミング及び減速度の大きさを最適に設定することにより、操舵の切り返しを発生させることなく操舵制御のフィードバック補正分を減らすことができ、目標進行路への追従精度を確保しながら車体バネ系の乱れを抑制することができる。

１運転支援システム
１０走行制御装置
１１目標進行路演算部
１２目標舵角演算部
１３目標減速度演算部
１４減速度補正値演算部
１５減速度補正部
１６舵角制御部
２０外部環境監視装置
４０ブレーキ制御装置
５０ステアリング制御装置
Ｄref 目標減速度
Ｖref 目標車速
Ｖref2 補正車速
Ｔd 設定時間
Ｒカーブ半径
δH 実舵角
δmax 最大舵角
δref 目標舵角
ρ 曲率

Claims

操舵制御及び減速制御を介して自車両を目標進行路に追従走行させる車両の運転支援システムにおいて、
前記目標進行路のカーブ区間を通過する際の目標舵角を、前記カーブ区間の緩和曲線部に続く円弧曲線部で最大舵角となる目標値として算出する目標舵角演算部と、
前記カーブ区間における目標減速度を、前記円弧曲線部における最大横加速度が設定値以下となる減速度として算出する目標減速度演算部と、
前記目標舵角と実舵角とに基づいて、前記目標減速度による目標車速を補正する補正車速を算出する減速度補正値演算部と、
前記目標車速が前記補正車速となるように前記目標減速度を補正する減速度補正部と
を備えることを特徴とする車両の運転支援システム。
前記減速度補正値演算部は、前記補正車速を、前記目標舵角及び前記目標車速における旋回曲率と同じ曲率となる前記実舵角における車速として算出することを特徴とする請求項１記載の車両の運転支援システム。
目標舵角演算部は、前記目標舵角を、前記緩和曲線部で横加加速度が最小となり、前記円弧曲線部でカーブ最小半径と車両諸元とに基づく前記最大舵角となる目標値として算出することを特徴とする請求項１又は２記載の車両の運転支援システム。
前記減速度補正部は、前記目標減速度を、前記目標車速が設定時間後に前記補正車速となるように補正することを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の車両の運転支援システム。