JPH07110712A - 操舵角制御装置 - Google Patents

操舵角制御装置

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JPH07110712A
JPH07110712A JP5256080A JP25608093A JPH07110712A JP H07110712 A JPH07110712 A JP H07110712A JP 5256080 A JP5256080 A JP 5256080A JP 25608093 A JP25608093 A JP 25608093A JP H07110712 A JPH07110712 A JP H07110712A
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JP
Japan
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curvature
traveling
road
amount
vehicle
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Application number
JP5256080A
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English (en)
Inventor
Koji Ono
宏司 大野
Keiji Aoki
啓二 青木
Akihide Tachibana
彰英 橘
Toshihiko Suzuki
敏彦 鈴木
Tatsuaki Yokoyama
竜昭 横山
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Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
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  • Steering Control In Accordance With Driving Conditions (AREA)
  • Control Of Driving Devices And Active Controlling Of Vehicle (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 道路曲率や車速の変化に適応した安定した制
御を可能としかつ計算量及びメモリ容量を小さくする。 【構成】 車速Vを測定する手段10、車体ヨー角y、
道路曲率Cr及び道路における基準線からの車両の位置
偏差量である横偏差量εを測定するための装置30を備
えている。装置24は、横偏差量ε及び横偏差量εの時
間微分値の各々にゲインを乗じて加え合わせて出力す
る。装置22は、道路曲率Crにゲインを乗じて出力す
る。装置18は、装置20で使用されるゲインを決定す
るための、手段18Aで演算された指令曲率と手段18
Bで演算された走行曲率との差で定義される学習信号を
出力する。装置20は、ニューラルネットワークで構成
され、装置22及び装置24で適切なゲインが設定でき
ないために生じる横偏差量εを減じるための補償量を学
習信号を用いて演算し出力する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は操舵角制御装置に係り、
より詳しくは、人間の運転を代行する自動操縦装置や緊
急時の衝突回避装置、無人搬送車等の移動ロボット等の
走行体の操舵角を制御する操舵角制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、道路を撮影した画像を画像処
理して得られた情報に基づいて、道路端またはセンター
ラインを基準として車両の進行方向に対する横偏差量を
求め(地中に埋設された電線や磁石を用いることにより
同様に横偏差量を求めることもできる)、横偏差量、横
偏差量の時間微分値または横偏差量の時間積分値の各々
にゲインを乗算して加え合わせた量(横偏差量によるフ
ィードバック制御量)に、道路曲率にゲインを乗算した
量(道路曲率によるフィードフォワード制御量)を加え
合わせて操舵量を決定し、操舵角を制御する方式が知ら
れている。
【0003】また、道路端からの進行方向に対する横方
向の距離情報に基づいて、ドライバーが実際に操舵した
操舵量から重回帰分析を行い、求めた回帰式を使用して
操舵量を決定する方式が知られている(特開平4−30
4502号公報)。この方式では、回帰式の係数を走行
時に更新することにより道路曲率や車速の変化にも対応
可能である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
横偏差量によるフィードバック制御量と道路曲率による
フィードフォワード制御量とを組み合わせる方式では、
道路曲率の大きさや車速に応じた適切なゲインを求める
必要があるので、道路曲率と車速を組み合わせた走行実
験を行う必要があり、ゲインの調整に多大な労力を必要
とし、現実的でない。
【0005】また、従来の回帰式を用いる方式では、道
路曲率や車速の変化に適応させるためには、重回帰分析
を走行中に計算する必要があるため、計算コストが多く
なり、また得られた回帰係数をテーブル化するため、メ
モリ容量も大きくなる。また、回帰式を用いる方式で
は、フィードバック制御であるため係数の選定によって
は制御が不安定化することがある。
【0006】本発明は、上記問題点を解消するためにな
されたもので、道路曲率等の走行路の曲率や車速等の走
行速度の変化に適応した安定した制御が可能でかつ計算
量及びメモリ容量を小さくすることができる操舵角制御
装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、図1に示すように、走行体が走行する走行
路における基準線からの走行体の位置偏差量、走行路の
曲率及び走行体の横方向運動に関する状態量を測定する
測定手段aと、走行体の走行速度を測定する速度測定手
段bと、走行路の曲率及び位置偏差量に基づいて目標操
舵角を演算する目標値演算手段cと、走行路の曲率及び
位置偏差量に基づいて指令曲率を演算する指令曲率演算
手段dと、走行路の曲率、走行速度及び前記状態量に基
づいて走行軌跡の曲率を演算する走行曲率演算手段e
と、指令曲率と走行軌跡の曲率との偏差を学習信号とし
て出力する学習信号演算手段fと、ニューラルネットワ
ークで構成され、走行速度及び走行路の曲率を入力と
し、前記学習信号を用いた演算により、フィードフォワ
ード制御するための補償量を演算する補償量演算手段g
と、前記目標操舵角及び前記補償量に基づいて走行体を
制御する制御手段hと、を含んで構成したものである。
【0008】
【作用】本発明の測定手段aは、走行体が走行する走行
路における基準線からの走行体の位置偏差量、走行路の
曲率及び走行体の横方向運動に関する状態量を測定す
る。この測定手段aとしては、画像装置と演算装置とを
備え、画像処理と演算により位置偏差量、走行路の曲率
及び走行体の横方向運動に関する状態量を測定する測定
装置を用いてもよく、また位置偏差量を測定する位置偏
差測定手段a1、走行体の横方向運動に関する状態量を
測定する状態量測定手段a2及び走行路の曲率を測定す
る走行路曲率測定手段a3の別個の測定装置を用いても
よい。また、車両の横方向運動に関する状態量として
は、ヨー角、ヨーレート、横方向変位、横方向速度、横
方向加速度等を用いることができる。
【0009】速度測定手段bは、走行体の走行速度を測
定する。目標値演算手段cは、走行路の曲率及び位置偏
差量に基づいて目標操舵角を演算する。指令曲率演算手
段dは、走行路の曲率及び位置偏差量に基づいて指令曲
率を演算する。走行曲率演算手段eは、走行路の曲率、
走行速度及び前記状態量に基づいて走行軌跡の曲率を演
算する。学習信号演算手段fは、指令曲率と走行軌跡の
曲率との偏差を学習信号として出力する。補償量演算手
段gは、ニューラルネットワークで構成されており、走
行速度及び走行路の曲率を入力とし、前記学習信号を用
いた演算により、フィードフォワード制御するための補
償量を演算する。そして、制御手段hは、目標操舵角及
び補償量に基づいて走行体を制御する。
【0010】このように、学習を行っているため、走行
速度及び走行路の曲率の変化に適応した安定した制御が
可能になる。また、ニューラルネットワークを用いてい
るため、計算量及びメモリ容量を小さくすることができ
る。
【0011】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
目標操舵角の設定が不良であっても走行路の曲率や走行
速度の変化に適応して最適な操舵補償量が学習により得
られるので、安定した制御を行うことができると共に、
フィードフォワード補償量をニューラルネットワークに
より求めているので、計算量及びメモリ容量を低減する
ことができる、という効果が得られる。
【0012】
【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。本実施例は、車両の操舵角を制御する操舵角
制御装置に本発明を適用したものである。
【0013】図2に示すように、本実施例の操舵角制御
装置は、車速Vを測定する車速測定手段10と、車体ヨ
ー角y、道路曲率Cr及び道路における基準線からの車
両の位置偏差量である横偏差量εを測定するための測定
装置30とを備えている。この測定装置30は、走行方
向前方の道路を撮影する撮影装置と、撮影装置によって
撮影された画像を処理することによって以下の(1)式
に基づいて車体ヨー角y、道路曲率Cr及び横偏差量ε
を演算する演算装置と、で構成することができる。この
測定装置30を機能ブロックで表すと、車体ヨー角yを
測定する車体ヨー角測定手段12、道路曲率Crを測定
する道路曲率測定手段14及び横偏差量εを測定する横
偏差量測定手段16で表すことができる。
【0014】なお、測定装置30としては、車体ヨー角
y、道路曲率Cr及び横偏差量εを各々測定する車体ヨ
ー角測定手段12、道路曲率測定手段14及び横偏差量
測定手段に各々対応する別個の測定器を用いてもよい。
【0015】図3の車両と道路との幾何学的な関係図で
示すように、車体ヨー角yは車両進行方向と車両の向き
との成す角度、横偏差量εは基準線としての道路中心と
車両中心(上記測定装置が取り付けられている位置)と
の間の距離、道路曲率Crは車両中心での曲率を示す。
なお、基準線としては道路端等を用いることもできる。
【0016】また、本実施例の操舵角制御装置は、横偏
差量εによりフィードバック制御を行うフィードバック
制御器としての比例微分演算装置24、走行路の曲率と
しての道路曲率Crによりフィードフォワード制御を行
うフィードフォワード制御器としての比例演算装置2
2、フィードフォワード補償量演算装置20、及び学習
信号を発生する学習信号発生器18を備えている。本実
施例では、横偏差量によるフィードバック制御は、比例
微分演算装置24を用いた比例微分制御とした。また、
フィードフォワード補償量演算装置20は、人間の神経
回路を模した3層パーセプトロン型ニューラルネットワ
ークで構成した。
【0017】図5に、3層パーセプトロン型ニュラルネ
ットワークの構造を示す。このニュラルネットワーク
は、複数の入力層、複数の隠れ層(中間層)及び1つの
出力層から構成されている。入力層の各ユニットにはそ
れぞれ道路曲率Crおよび道路曲率Crと車速Vとの積
が入力される。道路曲率Crおよび道路曲率Crと車速
Vとの積を入力としたのは、直線路(道路曲率Cr=
0)の走行中に車速の変化によりニューラルネットワー
クの出力が変化しないようにするためである。隠れ層の
各ユニットの入出力関数は、−1と1で飽和するシグモ
イド関数(例えばf(x)=[1−exp(−x)]/
[1+exp(−x)])とした。また、出力層のユニッ
トの入出力関数は線型関数とした。
【0018】学習信号発生装置18は、道路曲率Cr及
び横偏差量εに基づいて指令曲率を演算する指令曲率演
算手段18A、及び道路曲率Cr、車速V及び車体ヨー
角yに基づいて車両の走行軌跡の曲率(走行曲率)を演
算する走行曲率演算手段18Bを備えている。この学習
信号発生装置18には、車速測定手段10、及び測定装
置30の車体ヨー角測定手段12、道路曲率測定手段1
4及び横偏差量測定手段16が接続されている。車速測
定手段10及び測定装置30の道路曲率測定手段14
は、フィードフォワード補償量演算装置20に接続され
ている。
【0019】測定装置30の道路曲率測定手段14は、
比例演算装置22に接続され、測定装置30の横偏差量
測定手段16は、比例微分演算装置24に接続されてい
る。比例演算装置22及び比例微分演算装置24は加算
器26に接続され、加算器26及びフィードフォワード
補償量演算装置20は、操舵量信号を出力する加算器2
8に接続されている。そして、この操舵量信号により車
両の操舵角が制御される。
【0020】次に本実施例の作用を説明する。まず、図
4に、測定装置30を構成する画像処理装置より得られ
る道路画像を模式的に示す。L1、L2、L3は、各々
車両中心からの実距離(画像上の長さではない)を表
す。また、ε1、ε2、ε3は実距離L1、L2、L3
に対応する道路端からの実距離である。
【0021】横偏差量ε、車体ヨー角y及び道路曲率C
rは、画像処理によって得られるL1、L2、L3、ε
1、ε2、ε3に基づいて次式により求められる。
【0022】
【数1】
【0023】比例微分演算装置24では、横偏差量εが
入力されると共に入力された横偏差量εの時間微分値が
計算され、横偏差量ε及び横偏差量εの時間微分値の各
々に適切なゲインを乗じて加え合わされて出力される。
この比例微分演算装置24の出力outpdは次式で表
される。
【0024】 outpd=Kp・ε+Kd・dε/dt・・・(2) ここで、d/dtは時間微分を示し、Kp、Kdは一定
のゲインを示す。
【0025】この比例微分演算装置24の出力値は、適
切なゲインが設定されていれば、横偏差量εが0になる
ように、すなわち車両が道路中心を走行するようにする
操舵量になる。
【0026】比例演算装置22では、道路曲率Crが入
力され、適切なゲインを乗じて出力される。この比例演
算装置22の出力outcは、次式で与えられる。
【0027】outc=Kc・Cr・・・(3) ここで、Kcは一定のゲインである。
【0028】この比例演算装置22の出力値は、適切に
ゲインが設定されていれば、道路の曲率に応じた車両固
有の操舵量になる。
【0029】したがって加算器26から出力されたou
tpd+outcは、道路の曲率に応じて車両が道路中
心を走行するための目標操舵角になる。
【0030】フィードフォワード補償量演算装置20
は、比例演算装置22及び比例微分演算装置24におい
て適切なゲインが設定できないために生じる横偏差量ε
を減じるための補償量を出力する。
【0031】このフィードフォワード補償量演算装置2
0の出力outnnは、関数Fで表すと次のようにな
る。
【0032】 outnn=F(V,Cr,W)・・・(4) ここで、Wは学習信号発生装置18から出力される学習
信号により調整されるニューラルネットワークのウエイ
ト(重み)である。
【0033】加算器28から出力される最終的な操舵量
δは、上記(2)式、(3)式及び(4)式より次の
(5)式のようになる。
【0034】 δ=outpd+outc+outnn・・・(5) フィードフォワード補償量演算装置20で使用されるゲ
イン(ニューラルネットであるためウエイト)を決定す
るための学習信号は、指令曲率演算手段18Aで演算さ
れた指令曲率と走行曲率演算手段18Bで演算された走
行曲率との差で定義される。この学習信号errorに
ついて説明する。
【0035】まず、指令曲率は横偏差量ε及び横偏差量
εの時間微分値の各々に適切なゲインを乗じて加え合わ
せた値に道路曲率Crを加えて求められるので、指令曲
率Ccomは次式で表される。
【0036】 Ccom=Cr+K1・ε+K2・dε/dt・・・(6) ここで、K1、K2は一定のゲインである。
【0037】また、走行曲率は、1制御周期の間の道路
曲率Crの平均値と1制御周期の間の車体ヨー角yの変
化量を1制御周期の走行距離で除した値とを加えること
により求められる。したがって、走行曲率Ctraは、
道路曲率Crの平均値をCrmean、微小走行距離を
ΔL、微小走行距離ΔL走行したときの車体ヨー角yの
変化量をΔyとすると、次式で表される。この微小距離
ΔLは車速Vと1制御周期との積で表される。
【0038】 Ctra=Crmean+Δy/ΔL・・・(7) 学習信号errorは、指令曲率Ccomと走行曲率C
traとの偏差になるから次式となる。
【0039】 error=Ccom−Ctra・・・(8) フィードフォワード補償量演算装置20を構成するニュ
ーラルネットワークの入力層に入力された道路曲率Cr
および道路曲率Crと車速Vとの積のそれぞれの信号
は、隠れ層を介して出力層に向かって伝播する。このと
き、隠れ層のi番ユニットの出力Xi 、出力層のi番ユ
ニットの出力Yi は各々次式で表される。
【0040】 Xi =f(Σj ij×Ij )・・・(9) Yi =f(Σj ij×Xj )・・・(10) ここで、fは隠れ層の各ユニットの入出力関数(f
(x)=[1−exp(−x)]/[1+exp(−
x)])、Wijは隠れ層のi番ユニットと入力層のj番
ユニット間のウエイト、Ij は入力層のj番ユニットの
出力、Zijは出力層のi番ユニットと隠れ層のj番ユニ
ット間のウエイトである。
【0041】ニューラルネットワークの各層のウエイト
を更新するにあたっては、バックプロパゲーションアル
ゴリズムが使用される。学習信号発生装置18から出力
される学習信号errorの二乗の1/2をE(=er
ror2 /2)と定義すれば、最急降下法(最適化手法
の1つ)により、ウエイト更新値は各々次のようにな
る。
【0042】 ΔZij=−η・∂E/∂Zij・・・(11) ΔWij=−η・∂E/∂Wij・・・(12) ここで、ηは正の定数である学習係数である。ウエイト
更新値を具体的に表すと、各々次のようになる。
【0043】 ΔZij=η・error・Xj ・・・(13) ΔWij=η・(Σk ki・error)(1−Xi 2 )・Ij /2 ・・・(14) ここで、kは全ての出力ユニットについて取られる。
【0044】フィードフォワード補償量演算装置20で
は、ウエイトの修正量が求められウエイトが更新され
る。ウエイトの更新によりEの値が最小値に収束すれば
指令曲率と走行曲率とが一致し、車両が道路中心を走行
するようになるので、これらのウエイト更新式によりE
が最小値になるまでニューラルネットワークの学習を行
う。
【0045】次に、コンピュータシミュレーションによ
る学習の効果を検証した結果を説明する。ただし、本実
施例のコンピュータシミュレーションでは、上記(6)
〜(8)式にかえて、tをサンプリング時刻、ΔTをサ
ンプリング間隔(1制御周期)とする、以下に示す
(6)’〜(8)’の差分式を用いた。
【0046】 Ccom〔t〕=Cr〔t〕+K1・ε〔t〕 +K2(ε〔t〕−ε〔t−1〕)/ΔT・・・(6)’ Ctra〔t〕=(Cr〔t〕+Cr〔t−1〕)/2 +(y〔t〕−y〔t−1〕)/V・ΔT・・・(7)’ error〔t〕=Ccom〔t−1〕−Ctra〔t〕・・・(8)’ 車両の走行コースは、図6に示すように、半径50mの
円軌道とし、右旋回で行った。また、車速Vの最大値を
40km/h(約11.1m/s)に設定し、サンプリ
ング間隔を0.4秒に設定した。また、L1,L2,L
3を各々10m、15m、20m、Kp,Kd,Kcを
各々−0.265、−0.583、53.0、K1,K
2を各々−0.005、−0.011とした。さらに、
ニューラルネットワークの入力層のユニット数を2、隠
れ層のユニット数を6、出力層のユニット数を1、学習
係数ηを0.6とした。
【0047】図7にコンピュータシミュレーションの結
果を示す。図7において、縦軸は道路中心からの偏差、
横軸は走行時間である。縦軸の符号は正の場合は進行方
向に対して中心から右に位置し、負の場合は左に位置す
る。スタート(0.00)から150秒まではニューラ
ルネットワークの学習を中止した場合の例である。すな
わち、従来制御、横偏差量εによるフィードバック制御
及び道路曲率Crによるフィードフォワード制御の結果
を示すものである。
【0048】図7から理解されるように、この車両は約
0.8m道路中心からずれて走行している。150秒以
降、ニューラルネットワークによる学習により横偏差量
εは0.1mになっている。このように、学習後におい
ても偏差量が残るのはコンピュータシミュレーションに
よる計算誤差が原因である。
【0049】以上説明したように本実施例によれば、従
来制御による不都合をニューラルネットワークによる学
習を適用することにより、道路中心からの偏差を減少さ
せることができ制御性能を向上させることができた。ま
た、車速Vの変化にも同様にニューラルネットワークに
よる学習の適用による効果がみられた。さらに、このよ
うに学習が行われた後、学習をオフ、すなわち学習係数
ηを0として直線道路や左旋回等を行い、ニューラルネ
ットワークの汎化能力を確認した。汎化能力により、余
分な学習をする必要がなくなり、計算コストの低減を図
ることができた。
【0050】したがって、比例演算装置及び比例微分装
置におけるゲインの設定が不良であっても道路曲率や車
速の変化に適応して最適な操舵補償量が学習により得ら
れる。また、フィードフォワード補償量演算装置を実現
するニューラルネットワークにより、メモリ容量の低減
や汎化性により余分な学習が省略され計算コストが低減
できることが期待できる。
【0051】なお、上記実施例では画像処理により車体
ヨー角、道路曲率及び横偏差量を求める例について説明
したが、本発明はこれに限定されるものではなく電磁誘
導方式等の他の方式により車体ヨー角、道路曲率及び横
偏差量を求めてもよい。
【0052】また、比例微分によりフィードバック制御
量を演算する例について説明したが、比例制御や比例積
分微分制御によりフィードバック制御量を求めてもよ
い。また、指令曲率演算手段においても、更に横偏差量
の時間積分値とゲインとの積を加算してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の特許請求範囲に対応するブロック図で
ある。
【図2】車両と道路との幾何学的な関係を示す線図であ
る。
【図3】本発明の実施例のブロック図である。
【図4】本実施例で用いた道路画像の模式図である。
【図5】本実施例の3層パーセプトロン型ニューラルネ
ットワークの構成図である。
【図6】実施例の車両走行コースを示す線図である。
【図7】実施例で用いたコンピュータシミュレーション
結果のグラフである。
【符号の説明】
10 車速測定手段 30 測定装置 12 車体ヨー角測定手段 14 道路曲率測定手段 16 横偏差量測定手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 B62D 111:00 137:00 (72)発明者 青木 啓二 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 橘 彰英 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 鈴木 敏彦 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 横山 竜昭 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 走行体が走行する走行路における基準線
    からの走行体の位置偏差量、走行路の曲率及び走行体の
    横方向運動に関する状態量を測定する測定手段と、 走行体の走行速度を測定する速度測定手段と、 走行路の曲率及び位置偏差量に基づいて目標操舵角を演
    算する目標値演算手段と、 走行路の曲率及び位置偏差量に基づいて指令曲率を演算
    する指令曲率演算手段と、 走行路の曲率、走行速度及び前記状態量に基づいて走行
    軌跡の曲率を演算する走行曲率演算手段と、 指令曲率と走行軌跡の曲率との偏差を学習信号として出
    力する学習信号演算手段と、 ニューラルネットワークで構成され、走行速度及び走行
    路の曲率を入力とし、前記学習信号を用いた演算によ
    り、フィードフォワード制御するための補償量を演算す
    る補償量演算手段と、 前記目標操舵角及び前記補償量に基づいて走行体を制御
    する制御手段と、 を含む操舵角制御装置。
JP5256080A 1993-10-13 1993-10-13 操舵角制御装置 Pending JPH07110712A (ja)

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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH11189166A (ja) * 1997-12-25 1999-07-13 Mitsubishi Motors Corp 車線逸脱防止装置
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