JP7327419B2 - 操舵制御装置及び操舵制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、操舵制御装置及び操舵制御方法に関する。

車両の自動運転技術として、車両を目標経路に沿って追従走行させる操舵制御が行われている。例えば、ＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御等の線形なフィードバック補償器にて、操舵制御が行われている。

特開２０１８－１１８５８９号公報

ところで、上述したＰＩＤ制御等では、外乱抑圧性と目標値への追従性とにトレードオフの関係があることが知られている。このため、走行時に外乱（例えば、横風や路面からの外乱等）の影響を受ける車両を操舵制御する場合には、車両を目標経路へ精度良く追従させることができないおそれがある。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、車両を目標経路へ高精度に追従させることを目的とする。

本発明の第１の態様においては、制御対象として非線形の挙動を示す車両を目標経路に沿って追従走行させるための操舵制御装置であって、前記車両の目標経路を取得する経路取得部と、取得した前記目標経路に基づいて、前記制御対象の状態量を切替超平面へ拘束させるスライディングモード制御の前記切替超平面を設定する平面設定部と、前記車両と前記目標経路の距離の挙動を前記切替超平面に到達させるように、到達操舵角入力を求める第１算出部と、前記車両と前記目標経路の距離の挙動を前記切替超平面に拘束させるように、拘束操舵角入力を求める第２算出部と、求めた前記到達操舵角入力および前記拘束操舵角入力に対応したフィードバック補償器の出力に基づいて、前記制御対象に入力する操舵角入力を求める操舵角算出部と、を備える、操舵制御装置を提供する。

また、少なくとも前記車両のヨー角速度、すべり角、車両速度、前記目標経路と前記車両の偏角、及び前記車両の軌道の曲率情報を含む車両情報を取得する車両情報取得部を更に備え、前記操舵角算出部は、前記到達操舵角入力および前記拘束操舵角入力に基づいた前記フィードバック補償器の出力と、前記車両情報取得部が取得した前記車両情報とを、出力を前記制御対象に入力させる非線形補償器に入力して、前記制御対象の応答を線形化させる操舵角入力を求めることとしてもよい。

また、前記操舵角算出部は、前記応答として、前記車両と前記目標経路との距離を０に収束させる前記操舵角入力を求めることとしてもよい。

本発明の第２の態様においては、制御対象として非線形の挙動を示す車両を目標経路に沿って追従走行させるための操舵制御方法であって、前記車両の目標経路を取得するステップと、取得した前記目標経路に基づいて、前記制御対象の状態量を切替超平面へ拘束させるスライディングモード制御の前記切替超平面を設定するステップと、前記車両と前記目標経路の距離の挙動を前記切替超平面に到達させるように、到達操舵角入力を求めるステップと、前記車両と前記目標経路の距離の挙動を前記切替超平面に拘束させるように、拘束操舵角入力を求めるステップと、求めた前記到達操舵角入力および前記拘束操舵角入力に対応したフィードバック補償器の出力に基づいて、前記制御対象に入力する操舵角入力を求めるステップと、を有する、操舵制御方法を提供する。

本発明によれば、車両を目標経路へ高精度に追従させることができるという効果を奏する。

車両と目標経路との関係を説明するための模式図である。 経路追従制御系を説明するためのブロック線図である。 シミュレーション結果を説明するための図である。 一の実施形態に係る操舵制御装置の構成を説明するための模式図である。 操舵制御装置１０が実行する処理の流れを説明するためのフローチャートである。

＜経路追従制御系の構成＞
車両を目標経路へ追従させる経路追従制御系を説明する前に、車両及び参照点のモデルについて説明する。参照点は、目標経路において車両に最も近い点を意味する。

図１は、車両と目標経路との関係を説明するための模式図である。
まず、車両の運動モデルについて説明する。図１に示す車両１の運動を等価二輪モデルで表現できるものと仮定すると、車両１のすべり角及びヨー角に関して、式（１）及び式（２）のような状態方程式が導ける。なお、車両１の運動モデルは、等価二輪モデル以外のモデルであってもよい。

式（１）及び式（２）のβは車両１のすべり角であり、Ψはヨー角であり、ｖは車速であり、δは操舵角入力である。また、係数ａ_ij（i,j=1,2,3）は、式（３）～式（８）のように表される。

上記の式で、Ｋ_ｆ、Ｋ_ｒはコーナリング係数であり、ｌ_ｆは車両１の重心から前輪までの距離であり、ｌ_ｒは重心から後輪までの距離であり、ｍは車両重量であり、Ｉは慣性モーメントである。

式（１）及び式（２）の状態方程式から、車両１の軌道が描く曲率κは、式（９）のように表される。式（９）によって、車両単体の運動を記述できる。

次に、参照点の運動モデルについて説明する。ここでは、経路長さｒの曲率関数ｋ_ｒ(ｒ)、基準位置ｒ₀における姿勢角φ(ｒ₀)、初期位置ｘ(ｒ₀)、ｙ(ｒ₀)が既知であると仮定する。図１に示す参照点Ｒ１は、目標経路Ｒ上において車両１に最も近い点として定義される。参照点Ｒ１と車両１を結ぶ線と、参照点Ｒ１の接線とが直交関係を保っており、経路長さｓ_ｒによって特徴づけられる。経路長さｓ_ｒは、式（１０）のように表される。

なお、車両１の目標経路Ｒ（具体的には、参照点Ｒ１）への距離ｚは、式（１１）のように表される。

また、車両１の進行方向（速度ベクトル）と参照点Ｒ１の接線とが成す偏角θは、式（１２）のように、すべり角とヨー角の和から参照点Ｒ１の姿勢角を引いた値である。

式（１２）に式（１）及び式（２）を代入すると、偏角θは、式（１３）のように表される。

参照点Ｒ１の運動は、車両１の曲率及び走行速度を用いて、式（１４）のように表される。

式（１４）から、車両１の曲率κを制御することにより、ｚ＝０を実現できることがわかる。すなわち、車両１の目標経路Ｒへの追従を実現できる。式（１４）に加えて式（１）及び式（２）から、車両１と参照点Ｒ１の運動は、式（１５）の状態空間方程式を解くことにより算出できる。

（経路追従制御系について）
図２は、経路追従制御系を説明するためのブロック線図である。図２に示す経路追従制御系１００は、制御対象１０２と、フィードバック補償器１０４と、非線形補償器１０６とを有する。フィードバック補償器１０４は、制御対象１０２の出力（ここでは、状態量ｘ）に基づいてフィードバック制御する。フィードバック補償器１０４の出力ｕ_ｎが、非線形補償器１０６に入力される。非線形補償器１０６の出力δが、制御対象１０２に入力される。

以下では、図２に示す操舵角入力δから距離ｚまでの応答を、式（１６）で表現する。

式（１６）における係数Ｍ、Ｈは、式（１７）及び式（１８）のように定義される。

フィードバック補償器１０４の出力をｕ_ｎとすると、制御対象１０２に入力される操舵角入力δは、式（１９）のように表される。式（１９）が、非線形補償器１０６に該当する。非線形補償器１０６は、フィードバック補償器１０４とは異なり、調整すべきパラメータを有しない。

車両モデルと実際の車両１の動特性に誤差が無い場合には、ｕ_ｎとｚの関係は、式（２０）～式（２３）の状態方程式で表現できる。

式（１９）の非線形補償器１０６を適用することにより、経路追従制御系１００を線形化することができる。

ところで、非線形補償器１０６に含まれる車両緒言（例えば、コーナリング係数）に誤差がある場合、制御精度が劣化する場合がある。また、車両１の様々な外乱を考慮することが望ましい。
そこで、本実施形態では、フィードバック補償器１０４をスライディングモード制御法の枠組みで設計する。スライディングモードとは、制御対象１０２の状態量が切替超平面へ拘束されながら平衡点に移動する現象である。状態量は、到達則によって超平面へ到達させられ、スライディングモード状態へ拘束させられる。スライディングモードが発生していれば、外乱やモデルの不確かさに対して状態量の挙動が影響を受けない。このようなスライディングモード制御の枠組みでフィードバック補償器１０４を設計することで、ロバストな経路追従制御系１００を実現できる。

以下では、スライディングモード制御法の枠組みでのフィードバック補償器１０４の設計について説明する。
まず、切替超平面を設計する。スライディングモード発生時の状態量ｘの挙動は、式（２４）のように示される。

入力の切替時間に遅れがないと仮定すると、スライディングモード状態の透過制御入力は、式（２５）のように示される。

式（２５）は、スイッチング入力を連続入力で置換した値である。ここで、式（２５）を前述した式（２０）に代入することにより、切替超平面での状態量の挙動は、式（２６）のように示される。

式（２６）が線形な状態方程式になっているため、極配置法や最適レギュレータによって切替超平面を設計できる。ここでは、最適レギュレータのフィードバックゲインとして切替超平面を設計するため、式（２７）に示す評価関数を最小化する。

式（２７）のＱは状態量に対する重み行列であり、Ｒは制御入力に対する重み行列である。例えば、制御入力を小さくする場合には、重み行列Ｒの値を大きくする必要がある。状態量を平衡状態へ早く収束させる場合には、重み行列Ｑの値を大きくする必要がある。最適レギュレータのフィードバックゲインは、式（２８）のように示される。

式（２８）のＰは、リカッチ方程式の解として導出できる。ここで、Ｐの収束が十分に早く、Ｐの過渡応答を無視できると仮定すると、Ｐは、式（２９）に示すリカッチ代数方程式の解として表現できる。

切替超平面Ｓは、最適レギュレータのフィードバックゲインを用いることで、式（３０）のように示される。

次に、到達則と等価制御入力に基づいたフィードバック補償器１０４を設計する。
スライディングモード制御法では、任意の初期状態量から切替超平面へ到達し、切替超平面への到達後にスライディングモードを生じるような制御入力を生成する。このため、制御入力は、式（３１）に示すように、線形制御入力と非線形制御入力の総和であるものとする。

式（３１）の線形制御入力ｕ_ｌは、ｕ_ｌ＝ｕ_ｅｑ（式（２５）を参照）とする。また、非線形入力ｕ_ｎｌは、式（３２）のように示される。

式（３２）において、ｋは切替ゲインであり、Ｇは平滑化係数であり、satは飽和関数である。ｋの値は、リアプノフの安定論に基づき、制御系が安定化するように設計される。本来のスライディングモード制御では、非線形制御入力をスイッチング関数として算出することが望ましい。一方で、非線形制御入力としてスイッチング関数を選定すると、スライディングモード時にチャタリングによるスピルオーバーが発生する可能性があるが、スイッチング入力を飽和関数で平滑化することで、チャタリングを抑制できる。

上述した式（３１）及び式（３２）から、スライディングモード制御によるフィードバック補償器１０４は、式（３３）のように設計できる。

式（３３）のように設計したフィードバック補償器１０４の出力を、式（１９）の非線形補償器１０６へ入力することにより、操舵角入力を計算することができる。このように計算された操舵角入力を制御対象１０２に入力することで、非線形補償器１０６に含まれる車両緒言の誤差による影響を受けにくくなる。

図３は、シミュレーション結果を説明するための図である。図３（ａ）には、比較例としてフィードバック補償器１０４をＰＩＤ補償器にした場合のシミュレーション結果が示され、図３（ｂ）には、スライディングモード制御法が適用されたフィードバック補償器１０４の場合のシミュレーション結果が示されている。シミュレーションでは、制御系のロバスト性を検証するために、補償器のコーナリング係数と実際のコーナリング係数に誤差を発生させている。図３（ａ）及び図３（ｂ）において、目標経路が破線で示され、車両１が実際に通った経路が実線で示されている。なお、目標経路は、ここでは点Ａから点Ｂへ至る経路であるものとする。
図３（ａ）に示す比較例では、コーナリング係数の誤差によって制御系の過渡特性が変動し、曲線走行時の偏差が増大している。これに対して、図３（ｂ）に示す本実施形態では、比較例に比べて曲線走行時の偏差がほとんどなく、車両１が目標経路に追従していることがわかる。すなわち、本実施形態では、スライディングモードを発生させることにより、誤差の影響に対してロバストになっている。

＜操舵制御装置の構成＞
上述した経路追従制御系１００が適用される操舵制御装置の構成について、図４を参照しながら説明する。

図４は、一の実施形態に係る操舵制御装置の構成を説明するための模式図である。操舵制御装置１０は、制御対象１０２として非線形の挙動を示す車両１（図１）を目標経路に沿って追従走行させる。車両１は、例えばトラックであり、操舵制御装置１０によって自動運転が可能である。操舵制御装置１０は、例えば、前走車に追従して走行する操舵制御や、走行レーンをキープする操舵制御を行う。操舵制御装置１０は、図４に示すように、記憶部２０と、制御部３０とを有する。なお、図４では、説明の便宜上示されていないが、操舵制御装置１０は前述したフィードバック補償器１０４及び非線形補償器１０６を含む。

記憶部２０は、コンピュータのＢＩＯＳ（Basic Input Output System）等を格納するＲＯＭ（Read Only Memory）、作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。また、記憶部２０は、ＯＳ（Operating System）やアプリケーションプログラム、当該アプリケーションプログラムの実行時に参照される種々の情報を格納するＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等の大容量記憶装置である。

制御部３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサである。制御部３０は、記憶部２０に記憶されたプログラムを実行することによって、経路取得部３２、平面設定部３３、第１算出部３４、第２算出部３５、車両情報取得部３６、操舵角算出部３７及び操舵制御部３８として機能する。

経路取得部３２は、車両１が走行すべき目標経路を取得する。例えば、経路取得部３２は、カメラやレーダー等の車両１の周囲の状況（例えば、前走車や走行車線）を検出する周囲検出装置の検出結果に基づいて決定される目標経路を取得する。経路取得部３２は、取得した目標経路を平面設定部３３に出力する。

平面設定部３３は、取得した目標経路に基づいて、制御対象１０２の状態量を切替超平面へ拘束させるスライディングモード制御の切替超平面を設定する。具体的には、平面設定部３３は、経路取得部３２が取得した目標経路に基づいて、切替超平面を設定する。なお、切替超平面は、例えば経路追従制御系１００の設計者によって定義される。

第１算出部３４は、車両１と目標経路の距離ｚの挙動を切替超平面に到達させるように、到達操舵角入力を求める。すなわち、第１算出部３４は、車両１と目標経路の距離ｚの挙動を、平面設定部３３が設定した切替超平面に到達させるように、到達操舵角入力を求める。

第２算出部３５は、車両１と目標経路の距離ｚの挙動を切替超平面に拘束させるように、拘束操舵角入力を求める。すなわち、第２算出部３５は、第１算出部３４によって切替超平面に到達した距離ｚの挙動を、切替超平面に拘束させるように、拘束操舵角入力を求める。

車両情報取得部３６は、制御対象の車両１に関する車両情報を取得する。車両情報取得部３６は、車両１に設けられた各種センサの検出結果から、走行中の車両１の車両情報を取得する。車両情報取得部３６は、車両情報として、少なくとも車両１のヨー角速度、すべり角、車両速度、目標経路と車両１の偏角、及び車両１の軌道の曲率情報を含む車両情報を取得する。車両情報取得部３６は、取得した車両情報を操舵角算出部３７に出力する。

操舵角算出部３７は、車両１を目標経路へ追従させるための操舵角入力を求める。本実施形態では、操舵角算出部３７は、第１算出部３４が求めた到達操舵角入力と、第２算出部３５が求めた拘束操舵角入力とに対応したフィードバック補償器１０４の出力に基づいて、制御対象１０２に入力させる操舵角入力を求める。

操舵角算出部３７は、到達操舵角入力および拘束操舵角入力に基づいたフィードバック補償器１０４の出力と、車両情報取得部３６が取得した車両情報とを、出力を制御対象に入力させる非線形補償器１０６に入力して、制御対象１０２の応答を線形化させる操舵角入力を求める。具体的には、操舵角算出部３７は、式（３３）に示すフィードバック補償器１０４を、式（１９）に示す非線形補償器１０６に入力することで、操舵角入力δを求める。非線形補償器１０６を用いることで、非線形な挙動を示す車両１であっても、車両１を目標経路に追従させやすくなる。

操舵角算出部３７は、応答として、車両１と目標経路との距離を０に収束させる操舵角入力を求める。これにより、目標経路から離れている車両１を、目標経路へ精度良く追従させることができる。

操舵制御部３８は、例えばステアリングシャフトの操舵力をアシストするモータの回転を制御することにより、車両１の操舵を制御する。操舵制御部３８は、操舵角算出部３７が求めた操舵角入力に基づいて、車両１の操舵を制御する。すなわち、操舵制御部３８は、車両１と目標経路との距離が０になるように、車両１を操舵する。

＜操舵制御装置の処理例＞
目標経路を追従走行させる際の操舵制御装置１０の処理例について、図５を参照しながら説明する。

図５は、操舵制御装置１０が実行する処理の流れを説明するためのフローチャートである。図５に示す処理は、車両１の目標経路への追従制御を行うところから開始され、車両１が走行している間、繰り返し実行される。

経路取得部３２は、車両１が走行すべき目標経路を取得する（ステップＳ１０２）。次に、平面設定部３３は、取得した目標経路に基づいて、制御対象１０２の状態量を切替超平面へ拘束させるスライディングモード制御の切替超平面を設定する（ステップＳ１０４）。切替超平面は、例えば設計者によって定義される。

次に、第１算出部３４は、車両１と目標経路の距離ｚの挙動を切替超平面に到達させるように、到達操舵角入力を求める（ステップＳ１０６）。そして、第２算出部３５は、車両１と目標経路の距離ｚの挙動を切替超平面に拘束させるように、拘束操舵角入力を求める（ステップＳ１０８）。すなわち、第２算出部３５は、切替超平面に到達した距離の距離ｚを切替超平面に拘束するように、拘束操舵角入力を求める。

次に、車両情報取得部３６は、走行中の車両１に関する車両情報を取得する（ステップＳ１１０）。具体的には、車両情報取得部３６は、車両１のヨー角速度、すべり角、車両速度、目標経路と車両１の偏角、及び車両１の軌道の曲率情報を含む車両情報を取得する。

次に、操舵角算出部３７は、車両１と目標経路の距離ｚを０に収束させるように、操舵角入力を求める（ステップＳ１１２）。すなわち、操舵角算出部３７は、ステップＳ１０６で求めた到達操舵角入力とステップＳ１０８で求めた拘束操舵角入力とに対応したフィードバック補償器１０４の出力に基づいて、制御対象１０２に入力する操舵角入力を求める。具体的には、操舵角算出部３７は、式（３３）に示すフィードバック補償器１０４を、式（１９）に示す非線形補償器１０６に入力することで、操舵角入力δを求める。

次に、操舵制御部３８は、ステップＳ１１２で求めた操舵角入力に基づいて、車両１の操舵を制御する（ステップＳ１１４）。これにより、目標経路から離れた車両１を目標経路へ精度良く追従させることができる。

＜本実施形態における効果＞
上述した実施形態の操舵制御装置１０は、車両１と目標経路との距離の挙動をスライディングモード制御の切替超平面に到達させる到達操舵角入力と、距離の挙動を切替超平面に拘束させる拘束操舵角入力とを求める。そして、操舵制御装置１０は、求めた到達操舵角入力および拘束操舵角入力に基づいたフィードバック補償器１０４の出力に基づいて、制御対象１０２に入力する操舵角入力を求める。
これにより、車両１と目標距離との距離の挙動を切替超平面に拘束させるように操舵角入力を求めることで、外乱等による不確かさの影響を受けにくくなる。特に、経路追従制御系１００に非線形補償器１０６を設けた場合の外乱等の影響を受けにくくなる。この結果、自動操舵のロバスト性が向上し、経路追従の精度が向上する。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１ 車両
１０ 操舵制御装置
３２ 経路取得部
３３ 平面設定部
３４ 第１算出部
３５ 第２算出部
３６ 車両情報取得部
３７ 操舵角算出部
１０２ 制御対象
１０４ フィードバック補償器
１０６ 非線形補償器

Claims (3)

1. 制御対象として非線形の挙動を示す車両を目標経路に沿って追従走行させるための操舵制御装置であって、
   前記車両の目標経路を取得する経路取得部と、
   取得した前記目標経路に基づいて、前記制御対象の状態量を切替超平面へ拘束させるスライディングモード制御の前記切替超平面を設定する平面設定部と、
   前記車両と前記目標経路の距離の挙動を前記切替超平面に到達させるように、到達操舵角入力を求める第１算出部と、
   前記車両と前記目標経路の距離の挙動を前記切替超平面に拘束させるように、拘束操舵角入力を求める第２算出部と、
   求めた前記到達操舵角入力および前記拘束操舵角入力に対応したフィードバック補償器の出力に基づいて、前記制御対象に入力する操舵角入力を求める操舵角算出部と、
   少なくとも前記車両のヨー角速度、すべり角、車両速度、前記目標経路と前記車両の偏角、及び前記車両の軌道の曲率情報を含む車両情報を取得する車両情報取得部と、
   を備え、
   前記操舵角算出部は、前記到達操舵角入力および前記拘束操舵角入力に基づいた前記フィードバック補償器の出力と、前記車両情報取得部が取得した前記車両情報とを、出力を前記制御対象に入力させる非線形補償器に入力して、前記制御対象の応答を線形化させる操舵角入力を求める、操舵制御装置。
2. 前記操舵角算出部は、前記応答として、前記車両と前記目標経路との距離を０に収束させる前記操舵角入力を求める、
   請求項１に記載の操舵制御装置。
3. 制御対象として非線形の挙動を示す車両を目標経路に沿って追従走行させるための操舵制御方法であって、
   前記車両の目標経路を取得するステップと、
   取得した前記目標経路に基づいて、前記制御対象の状態量を切替超平面へ拘束させるスライディングモード制御の前記切替超平面を設定するステップと、
   前記車両と前記目標経路の距離の挙動を前記切替超平面に到達させるように、到達操舵角入力を求めるステップと、
   前記車両と前記目標経路の距離の挙動を前記切替超平面に拘束させるように、拘束操舵角入力を求めるステップと、
   求めた前記到達操舵角入力および前記拘束操舵角入力に対応したフィードバック補償器の出力に基づいて、前記制御対象に入力する操舵角入力を求めるステップと、
   少なくとも前記車両のヨー角速度、すべり角、車両速度、前記目標経路と前記車両の偏角、及び前記車両の軌道の曲率情報を含む車両情報を取得するステップと、
   を有し、
   前記操舵角入力を求めるステップにおいて、前記到達操舵角入力および前記拘束操舵角入力に基づいた前記フィードバック補償器の出力と、取得した前記車両情報とを、出力を前記制御対象に入力させる非線形補償器に入力して、前記制御対象の応答を線形化させる操舵角入力を求める、操舵制御方法。