(57)【要約】【課題】操舵角を制御する自動運転車両について、制御量に対する車両応答を最適化するシステムを提供する。【解決手段】本システムは操舵制御量に対する車両の位置変化・姿勢変化を検出するセンサ部と操舵制御量と車両応答量との伝達関数の演算部を備える制御コンピュータを備えて、伝達関数から得られる特性根を許容域に納めるように制御パラメータを調整する様にして、積載変化、経時変化等に適応する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
経路追従制御を行う自動運転車両において制御パラメータ調整機能を備えた操舵制御システムであって、ハンドル角から車両の横位置またはヨー角変位までの伝達関数を、ハンドル角からタイヤ角までの応答遅れを含めた形で表し、その極の配置から、横位置やヨー角のフィードバックゲインを含めた、操舵制御パラメータの最適値を決定する手段と、参照経路に対する車両の横位置やヨー角の定常偏差、あるいは偏差が振動している際の振幅の大きさや周期を見て、車両特性が変化したときに前記制御パラメータを自動的に調整する手段とを備えた操舵制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載の操舵制御システムにおいて、制御パラメータの最適値を決定する手段は、伝達関数の中で複数存在する極のうち、最も実軸の値が大きな極、あるいは車両振動に対して最も影響が大きな極を使って決定する手段であることを特徴とする操舵制御システム。
【請求項３】
請求項２に記載の操舵制御システムにおいて、最も実軸の値が大きな極、あるいは車両振動に対して最も影響が大きな極を使って決定する手段は、制御パラメータを変化させたときに、横位置の偏差とヨー角の偏差が許容される範囲内となる中で、最も極の実軸の値が小さくなるときの制御パラメータを最適値とする操舵制御システム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにに記載の操舵制御システムにおいて、制御パラメータの最適値を決定する手段は、自動走行が想定される速度範囲の中で、各速度に対して最適な制御パラメータを、上記請求項１〜３の手段で決定する操舵制御システム。
【請求項５】
請求項１に記載の操舵制御システムにおいて、車両特性が変化したときに制御パラメータを自動的に調整する手段は、参照経路に対する横位置の定常偏差が所定値より大きいときには横位置のフィードバックゲインを所定量大きくし、ヨー角の定常偏差が所定値より大きいときにはヨー角のフィードバックゲインを所定量大きくし、再び定常偏差の値を見て、定常偏差が所定値を下回っていればフィードバックゲインをその値で固定し、依然として定常偏差が所定値より大きい場合は再び横位置またはヨー角のフィードバックゲインを所定量大きくし、定常偏差の値が所定値より小さくなるまでこれらの操作を繰り返す操舵制御システム。
【請求項６】
請求項１に記載の操舵制御システムにおいて、車両特性が変化したときに制御パラメータを自動的に調整する手段は、参照経路に対する横位置の偏差もしくはヨー角の偏差が所定値以上の振幅で振動している場合は、振動の周期が所定値より短い場合にはヨー角のフィードバックゲインを所定量小さくし、所定値よりも長い場合には横位置のフィードバックゲインを所定量小さくし、再び振幅の値を見て、振幅が所定値を下回っていればフィードバックゲインをその値で固定し、依然として振幅が所定値より大きい場合は再び横位置またはヨー角のフィードバックゲインを所定量小さくし、振幅の値が所定値より小さくなるまでこれらの操作を繰り返す操舵制御システム。
【請求項７】
請求項５および６の何れかに記載の操舵制御システムにおいて、車両特性が変化したときに制御パラメータを自動的に調整する手段は、横位置とヨー角のフィードバックゲインだけでなく、その他の制御パラメータを調整する際にも、極配置の変化から判断し、振幅が所定値よりも大きいときは振幅が小さくなる方向にパラメータを所定量変化させ、振幅が所定値より小さくなるまで繰り返す操舵制御システム。
【請求項８】
請求項１に記載の操舵制御システムにおいて、車両特性が変化したときに制御パラメータを自動的に調整する手段は、操舵アクチュエータへの指示舵角に対する、車両位置やヨー角等の車両状態量の応答遅れが、初期状態と比較して所定値以上変化したときに、伝達関数を車両挙動に合うように修正して極配置を見直し、請求項２に記載された極の実軸の値が小さくなるように、制御パラメータを調整する操舵制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は制御パラメータ調整機能を備えた自動運転システムの操舵制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動運転システムの操舵制御システムとして、あらかじめ定められた参照経路に追従するように車両の舵角を制御する経路追従制御が提案されている。この経路追従制御では、車両に搭載されたセンサによって車両の状態量を計測し、車両の走行位置や角度が目標値に追従できるように操舵制御を行う。
【０００３】
その制御精度には、センサによる状態量の計測精度や、モデル誤差を含んだ制御誤差、操舵系の中立位置のずれや中立位置付近でのあそび、さらには経年による動特性の変化等が影響する。経年変化への対応としては、動特性の変化を自動的に学習する学習制御がこれまでにも提案されている。
【０００４】
自動運転システムの操舵制御システムの一つとして、非特許文献１のような経路追従制御方法が提案されている。
この非特許文献１では、参照経路に対する車両の横位置の偏差とヨー角の偏差を計測することができ、その偏差を前輪指示舵角にフィードバックする操舵制御において、リアプノフ関数に従った制御式を使って指示舵角を算出することで、安定的に参照経路に追従することができることが提案されている。また、このときフィードバックの強さを調整するフィードバックゲインという制御パラメータは、車両速度が変化すると最適値が変化するため、速度毎に調整する必要があることがわかる。
【０００５】
特許文献１には、ドライバーが車線変更する際の横加速度や、先行車との車間距離等、ドライバーの運転特性を学習し、学習したそれらの値を操舵制御に反映して障害物回避制御を行う方法が開示されている。
【０００６】
特許文献２には精度の高い操舵支援制御を行うために、車両の横加速度、ヨーレート、カーブ半径、操舵トルクの４つの測定結果から、操舵の中立位置を学習する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１７−１１７１９２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２０５０４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「トラックのPathFollowing制御に基づく自動運転」吉田順ほか，日本機械学会論文集（Ｃ編），Vol.77, No.782, 2011, p.165-175.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
参照経路に追従させる経路追従制御では、横位置やヨー角に対するフィードバックゲイン等、複数種類の制御パラメータが必要であり、さらに、それらは速度毎に異なる値を持ち得る。例えばフィードバックゲインを大きくすると経路への追従が速くなるが、大きくし過ぎると振動が生じたり、発散しやすくなるため大きくし過ぎることはできない。また、小さくし過ぎると経路への追従性が悪く、車両が車線内の走行を維持できなくなる恐れがある。このように、制御パラメータには適正な値の範囲があり、それらを一つ一つ調整して車両の挙動を確認し、さらに速度を変化させてそれぞれに対する適正な範囲を求めることは、多大な時間と労力を要する。
【００１０】
また、上記のように調整した制御パラメータを使って操舵制御を行っても、車両特性のばらつきや経年変化により、操舵制御が不安定になる恐れがあり、その際には、新たにパラメータを調整し直す必要が生じるが、全ての自動運転車両に対して調整し直すことは現実的ではない。
【００１１】
先行技術に開示された技術だけでは、以下の問題がある。
例えば、非特許文献１の場合には、制御パラメータが速度に応じて異なることは記載されているが、その算出方法や決定方法については触れられていない。
【００１２】
特許文献１は自動運転システムの制御パラメータ学習方法について提案しているが、目標横加速度や車間距離についてのみの学習であり、経路追従制御のパラメータの学習については考慮していない。
【００１３】
特許文献２は操舵の中立位置についてのみの学習制御であるため、特許文献１と同様に経路追従制御のパラメータの学習については考慮していない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
経路追従制御のパラメータを調整する際、多大な調整時間と労力を低減するために、机上での検討手段として、フィードバックゲインを変化させた際の閉ループ系の一巡伝達関数の極の動きを示す根軌跡を利用する。
ここで一巡伝達関数を算出する際、一般的に車両の操舵系モデルとして使用される左右輪が車軸中心にあるとする等価二輪モデルを考慮しただけでは、実際に車両で起きる発散などの現象を表現し切れないため、ハンドルの操舵角からタイヤの操舵角までの伝達特性をモデル化して一巡伝達関数を算出する。この一巡伝達関数を元に根軌跡を描くと、実際の車両の挙動を精度高く表現している。さらに、横位置だけでなく、ヨー角に対するフィードバックも同時に加えると、根軌跡を実軸の値が小さなより安定的な位置に描くことができるため、横位置のフィードバックゲインと、ヨー角のフィードバックゲインの両方、あるいはその他調整可能な制御パラメータ全てを同時に変化させた根軌跡を描き、偏差が許容値の範囲内にある中で、最も実軸の値が小さくなる点を、それぞれの制御パラメータの最適値とする。このとき、極は複数存在するため、実軸の値が最大となる極に注目して上記手段により決定する。また、車両の速度を変化させると根軌跡も変化するため、上記の根軌跡を車両速度毎に描き、各速度での制御パラメータを決定する。なお、制御パラメータには、横位置およびヨー角のフィードバックゲインの他に、横位置偏差やヨー角偏差の積分値、または微分値に乗じるゲインや、ヨーレートの偏差に乗じるゲイン、参照経路の前方位置を目標点としたときの前方注視距離等が含まれる。
【００１５】
次に、上記手段により決定したフィードバックゲイン等の制御パラメータを車両制御ＥＣＵに搭載して操舵制御を行った後、車両のばらつきや経年変化により、上記制御パラメータが最適で無くなった際に、制御パラメータを自動調整する方法について提案する。
初めに、自動操舵を行っている際の、参照経路に対する車両の横位置やヨー角の偏差を、車両に取り付けたセンサにより常時計測する。次に、それらの定常偏差の大きさや振動の仕方に応じて制御パラメータを調整する。具体的には、横位置の定常偏差が大きいときは、横位置のフィードバックゲインを大きくし、ヨー角の定常偏差が大きいときは、ヨー角のフィードバックゲインを大きくし、偏差の振動が大きく周期が長い時には横位置のフィードバックゲインを小さくし、偏差の振動が大きく周期が短い時にはヨー角のフィードバックゲインを小さくする。
【００１６】
また、上記の制御パラメータ自動調整手段は、横位置やヨー角のフィードバックゲインだけではなく、その他の制御パラメータにおいても、極配置の変化から振動の変化が予測できるため、振動が小さくなる方向に制御パラメータを調整することができる。
【発明の効果】
【００１７】
上記の方法により、制御パラメータを机上で算出できるため、実車を使った制御パラメータ調整時間を大幅に低減することができる。また、物理則に基づいたより安定的な解を選択できるため、車両が不安定な挙動となることも起こりにくい。
【００１８】
さらに、経年変化で車両の動特性が変化し、車両の挙動がやや不安定になった場合でも、自動調整により安定的な解に戻してくれるため、乗員あるいは乗客が不安に感じることも少なくなるうえ、自動運転車両を一台一台再調整する手間も省くことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】車両に搭載される操舵制御システム構成図
【図２】参照経路に対する車両の偏差を示す図
【図３】車両に搭載される横位置とヨー角のフィードバック制御のブロック線図
【図４】操舵制御系の根軌跡を示す図
【図５】フィードバックゲインの速度依存性
【図６】制御パラメータ自動調整のフロー図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１に示すように、本発明に係る操舵制御システム１００は、例えばバス等の決められたルートを自動運転で走行する車両のＥＣＵに搭載される。操舵制御システム１００は、参照経路１１０、偏差算出部１２０、パラメータ自動調整部１３０、および指示舵角算出部１４０から構成される。
【００２１】
偏差算出部１２０は、目標となる位置やヨー角、ヨーレート等の情報を持ち、あらかじめＥＣＵ内に格納されている参照経路１１０と、車両位置センサ１５０と車両ヨー角センサ１６０より得られた車両位置やヨー角とを比較して、車両の横位置偏差やヨー角偏差を算出する。横位置偏差とヨー角偏差は、図２に示すｅｙとｅθに相当する。なお、車両ヨー角センサ１６０は、車両ヨーレートセンサにより計測したヨーレートから、車両ヨー角を算出するものも含む。また、偏差算出部１２０は、参照経路が持つヨーレートの目標値と、ヨーレートセンサにより得られた車両のヨーレートとを比較してヨーレート偏差を算出する場合も含む。
【００２２】
指示舵角算出部１４０は、横位置偏差とヨー角偏差を用いて、図３に示すようなフィードバック制御器により指示舵角を算出し、その値をステアリングコラムに取り付けられた操舵アクチュエータ１７０へと送信する。なお、ヨーレート偏差を含む場合も、ヨーレート偏差にフィードバックゲインを乗じたものを指示舵角に足しこむことで、操舵アクチュエータ１７０に出力する指示舵角を算出する。
【００２３】
指示舵角を受け取った操舵アクチュエータ１７０は指示舵角を実現し、車両の挙動が変化して車両位置センサやヨー角センサが新たな値を計測する。
【００２４】
ここで、パラメータ自動調整部１３０は、初めに車両諸元を元にハンドル角から車両横位置またはヨー角までの伝達関数を次式１のように算出し、図４のような根軌跡を描き出す。
【００２５】
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【００２６】
さらに、車両モデルを用いたシミュレーション、もしくは車両を自動で動かしたときの計測結果から、横位置やヨー角の偏差量が許容値となる制御パラメータの値を求める。許容値となる制御パラメータは複数存在するため、その中で根軌跡上の最も左に位置するもの、つまり実軸の値が最も小さくなるものを、初期の制御パラメータとして決定する。
【００２７】
また、制御パラメータの最適値は、図５のように速度に応じて値が異なる特性を持つため、各速度に対して最適値を求めて、それらを初期値とする。
【００２８】
次に、経年変化による車両の動特性の変化に備えて、パラメータ自動調整部１３０では、偏差の値を常時監視する。そして、定常偏差が大きくなったり、偏差の振動が大きくなったりしたときには、図６のフローに従って、フィードバックゲインを増減させる。具体的には、位置の定常偏差が大きいときは、横位置のフィードバックゲインを大きくし、ヨー角の定常偏差が大きいときは、ヨー角のフィードバックゲインを大きくし、偏差の振動が大きく周期が長い時には横位置のフィードバックゲインを小さくし、偏差の振動が大きく周期が短い時にはヨー角のフィードバックゲインを小さくする。
【００２９】
また、パラメータ自動調整部１３０では、指示舵角算出部１４０から出力される指示舵角に対して、車両位置センサ１５０および車両ヨー角センサ１６０から得られる車両位置やヨー角、ヨーレート等の応答遅れが、初期状態と比較して所定値以上変化したときに、変化した車両特性に合うように伝達関数を修正し、車両挙動がより安定的になる方向に制御パラメータを調整する。例えば、経年変化により指示舵角に対するヨー角の応答性が所定値より遅くなったときには、車両挙動に合うように伝達関数を修正して極配置を見直し、横位置やヨー角のフィードバックゲインを小さくした方が極の実軸の値がより小さくなる場合には、フィードバックゲインを小さくする。
【符号の説明】
【００３０】
１００…操舵制御システム、１１０…参照経路、１２０…偏差算出部、１３０…パラメータ自動調整部、１４０…指示舵角算出部、１５０…車両位置センサ、１６０…車両ヨー角センサ、１７０…操舵アクチュエータ。 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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