(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象に対する所定の制御処理を繰り返し実行し、その実行結果に基づいて制御対象の状態が目標値に追従するよう制御するサーボ制御装置であって、
上記制御対象に加わる外乱量を取得する外乱量取得部と、
上記制御対象の状態量と上記目標値との偏差を積分する積分制御部とを備え、
上記積分制御部は、
上記外乱量取得部によって取得された外乱量の符号が変化するタイミングで積分量を零とすることを特徴とするサーボ制御装置。
【請求項２】
上記サーボ制御装置は、車両を目標位置に沿って走行させるよう操舵系に操舵トルクを付与する操舵支援装置であり、
上記外乱量取得部は、走行路の横断勾配・風など車両に対する横方向の外乱量を取得し、
上記積分制御部は、上記目標位置と車両の横位置との偏差を積分し、上記外乱量の符号が変化するタイミングで積分量を零とすることを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置。
【請求項３】
上記積分制御部は、
上記外乱量取得部によって取得された外乱量が大きいほど、積分演算の積分範囲を広くすることを特徴とする請求項１又は２記載のサーボ制御装置。
【請求項４】
上記積分制御部は、
上記外乱量取得部によって取得された外乱量が小さいほど、積分演算の積分範囲を狭くすることを特徴とする請求項１又は２記載のサーボ制御装置。
【請求項５】
上記積分制御部は、
上記外乱量取得部によって取得された外乱量が大きいほど、積分演算の加算幅を大きくすることを特徴とする請求項１又は２記載のサーボ制御装置。
【請求項６】
上記積分制御部は、
上記外乱量取得部によって取得された外乱量が小さいほど、積分演算の加算幅を小さくすることを特徴とする請求項１又は２記載のサーボ制御装置。
【請求項７】
上記外乱量取得部は、ヨーレートセンサ値と、操舵角を入力によるモデル算出ヨーレート推定値との比較に基づいて上記外乱量を推定することを特徴とする請求項２記載のサーボ制御装置。
【請求項８】
上記外乱量取得部は、走行路の情報と車両モデルを用いた外乱オブザーバによって上記外乱量を推定することを特徴とする請求項２記載のサーボ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積分項を適正化したサーボ制御装置に関し、特に車両の操舵支援を行うサーボ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、物体の位置、方位、姿勢等を制御量として目標値に追従するよう制御するサーボ制御装置は、目標値との間に定常的に発生する偏差を補償するため、積分制御を取り入れている。
【０００３】
例えば、車両を目標位置に沿って走行させるよう操舵系に操舵力を付与する車両の操舵支援装置では、路面の横断勾配（カント）等の外乱が発生した際、車両が車線内の目標横位置に対してオフセットして走行する可能性があり、オフセット量の積分項を制御系に適応することで外乱補償している。
【０００４】
しかしながら、積分制御は外乱変化に対して位相が遅れる特性を有している。このため、例えば路面カントが切り替わった場合等に逆方向に操舵される可能性がある。これを回避するためには、適切なタイミングで積分値をリセットする必要があり、特許文献１には、車両の横位置に応じて積分値をリセットする技術が提案されておいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４２００９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術は、積分値が車線の横位置に対する閾値によってリセットされるため、外乱の状況によっては誤リセットが発生したり、リセットの遅れが発生するなど、不適切なタイミングとなる虞があり、結果的に車両のオーバーシュート量が大きくなる状況が想定される。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、サーボ制御における積分項を外乱の状況に応じて適正に設定し、オーバーシュートを低減しつつ外乱の影響を補償することのできるサーボ制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明によるサーボ制御装置は、制御対象に対する所定の制御処理を繰り返し実行し、その実行結果に基づいて制御対象の状態が目標値に追従するよう制御するサーボ制御装置であって、上記制御対象に加わる外乱量を取得する外乱量取得部と、上記制御対象の状態量と上記目標値との偏差を積分する積分制御部とを備え、上記積分制御部は、上記外乱量取得部によって取得された外乱量の符号が変化するタイミングで積分量を零とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、サーボ制御における積分項を外乱の状況に応じて適正に設定することができ、オーバーシュートを低減しつつ外乱の影響を補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】車両の操舵支援装置に適用したサーボ制御装置の構成図
【図２】車両座標系における走行車線を示す説明図
【図３】操舵制御系のブロック図
【図４】積分制御処理のフローチャート
【図５】外乱変化が小さい場合の車両挙動の変化を示す説明図
【図６】外乱変化が大きい場合の車両挙動の変化を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。  
本実施の形態においては、サーボ制御装置を車両の車線維持のための操舵支援装置に適用する例について説明する。操舵支援装置は、車両の進行路を目標コースに追従させて維持するための目標操舵トルクを算出し、目標操舵トルクに基づいて操舵輪の転舵を行うことで制御目標を達成するものであり、図１においては、車両１の左右の前輪ＦＬ，ＦＲを、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）２を介して操舵制御するものとする。
【００１２】
ＥＰＳ２による操舵系は、ドライバによって転舵操作されるステアリングホイール３にステアリングシャフト４を介して連結されると共に、軸方向に伸縮可能な左右のタイロッド５を介して前輪ＦＬ，ＦＲに連結されて構成されている。タイロッド５は、ＥＰＳ２に設けられたモータ６で駆動されるボールネジ式のリニアアクチュエータとして左右に配置されている。
【００１３】
ＥＰＳ２のモータ６は、ＥＰＳ制御ユニット（ＥＰＳ＿ＥＣＵ）２０によって駆動制御される。ＥＰＳ制御ユニット２０は、ドライバの操舵トルクにモータ６による駆動トルクを加えてドライバの転舵操作を支援する。また、ＥＰＳ制御ユニット２０は、例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network）バス等を介した車内ネットワークを介して制御ユニット（ＥＣＵ）３０と接続され、制御ユニット３０から送信された制御指令により、車線維持のための操舵支援を分担制御する。
【００１４】
尚、ＥＰＳ制御ユニット２０及び制御ユニット３０が接続される車内ネットワークには、その他、エンジン制御ユニット、変速機制御ユニット、ブレーキ制御ユニット等の車両制御を分担する複数の制御ユニットが接続されており、各制御ユニットは、相互にデータを送受信し、各種情報の交換を行う。
【００１５】
本実施の形態においては、操舵支援における自車両の走行環境を認識するためのセンサとして、ステレオカメラ７を備えている。ステレオカメラ７は、所定の基線長で配置した２台のカメラと、２台のカメラで撮像した一対のステレオ画像を処理する画像処理エンジンとをユニット化したものであり、例えば車室内のルームミラー等に内蔵されてフロントウィンドウ越しに前方の所定領域内の周辺状況を撮影する。ステレオカメラ７で撮像した画像からは車外環境の３次元情報が得られ、この３次元情報に基づいて車両１の走行レーンが認識される。
【００１６】
また、制御ユニット３０には、操舵角センサ８、車輪速センサ９、ヨーレートセンサ１０、横加速度センサ１１、その他、図示しない各種センサ類から信号が入力される。操舵角センサ８は、ステアリングシャフト４に取り付けられてステアリングホイール３の操舵角を検出する。検出された操舵角は、ＥＰＳ制御ユニット２０を介して制御ユニット３０に送信される。また、車輪速センサ９は、車両１の左右の前輪ＦＬ，ＦＲ、及び左右の後輪ＲＬ，ＲＲのそれぞれに取り付けられ、各車輪の車輪速に応じた周期のパルス信号を発生し、制御ユニット３０に出力する。ヨーレートセンサ１０及び横加速度センサ１１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサとして構成され、車体の鉛直軸回りの回転速度及び横方向の加速度をそれぞれ検出して制御ユニット３０に出力する。
【００１７】
制御ユニット３０は、ステレオカメラ７の撮像画像による走行環境の認識情報と、操舵角センサ８，車輪速センサ９，ヨーレートセンサ１０，横加速度センサ１１等の信号に基づいて検出した車両状態量とに基づいて、車線維持操舵支援制御のための目標操舵トルクを演算する。この車線維持操舵支援制御は、ＥＰＳ２，ＥＰＳ制御ユニット２０，制御ユニット３０によるサーボ制御系において、主として制御ユニット３０で演算した目標操舵トルクを実現する。
【００１８】
すなわち、制御ユニット３０は、車両走行環境の認識情報及び車両状態量に基づいて、自車進行路を推定し、この自車進行路を目標コースに追従させるための目標操舵トルクを算出する。算出された目標操舵トルクは、制御ユニット３０からＥＰＳ制御ユニット２０に送信され、ＥＰＳ制御ユニット２０は、目標操舵トルクに基づいてモータ６を駆動制御することで、制御目標を達成する。
【００１９】
具体的には、自車両１の重心位置を原点とし、車幅方向をＸ軸、車体前方側をＺ軸とする図２の車両座標系において、Ｚ軸方向に、前方注視点Ｌ（例えば約１秒後）を設定する。そして、注視点Ｌにおける走行レーンの中央位置Ｘcを求め、この中央位置Ｘcを軌跡とする車線（図２中に破線で示す車線）を自車両１が追従すべき目標コース（目標車線）として設定し、走行レーンのカーブ半径に基づく目標コースの曲率Ｋを求める。
【００２０】
次に、車両の状態量に基づいて自車両の走行軌跡（図２中に２点鎖線で示す車両軌跡）を推定し、目標コースに対して自車両のなす車両ヨー角θyaw、注視点Ｌにおける自車両の推定横位置（車線中央位置に対する自車両位置）Ｘeを求める。注視点Ｌにおける車両の推定横位置Ｘeは、操舵角、車速、ホイールベースやステアリングギヤレシオ等の車両諸元、車両固有のスタビリティファクタ等を用いて推定することができ、また、車速やヨーレートを用いて推定することもできる。
【００２１】
そして、以下の（１）式に示すように、カーブの旋回に対するフィードフォワード制御のための車線の曲率Ｋに基づく操舵トルク、車線中央位置Ｘcと推定横位置Ｘeとの偏差（Ｘc−Ｘe）を閉ループで目標値に収束させるための操舵トルク、ヨー角θyawを閉ループで目標値に収束させるための操舵トルク、閉ループ系で発生する定常偏差や外乱による偏差を除去するための積分制御における車両の横位置Ｘvに基づく操舵トルクを加算することにより、目標操舵トルクＴdを算出する。  
Ｔd＝Ｇκ・Ｋ＋Ｇl・(Ｘc−Ｘe)＋Ｇy・θyaw＋Ｇi・∫Ｇa・Ｘvｄｔ  …（１）
但し、Ｇκ：フィードフォワードゲイン
Ｇl：車両の横位置に対するフィードバックゲイン
Ｇy：車両のヨー角に対するフィードバックゲイン
Ｇi：車両の横位置積分ゲイン
Ｇa：車両の横位置加算幅ゲイン
【００２２】
尚、本実施の形態においては、カーブ半径（曲率）、車両の横位置、ヨー角は、車両１の前後方向の中心軸の左側を正の値で表し、車両１の前後方向の中心軸の右側を負の値で表すものとする。
【００２３】
このような目標操舵トルクを操作出力とする操舵制御系は、図３のブロック図に示すように、車線認識部４１、曲率制御部４２、横位置制御部４３、姿勢制御部４４、積分制御部４５の各制御部と、ＥＰＳ２による操舵系４６とで構成されている。各制御部４２〜４５は（１）式の右辺第１項〜第４項に示す操舵トルクを算出し、各操舵トルクが合算されてＥＰＳ２による操舵系４６に出力される。そして、操舵系４６によって発生する車両運動が各制御部４３〜４５にフィードバックされる。
【００２４】
尚、車線認識部４１は、ステレオカメラ７或いは制御ユニット３０の機能として形成され、曲率制御部４２、横位置制御部４３、姿勢制御部４４、積分制御部４５は、制御ユニット３０の機能として形成されている。
【００２５】
詳細には、車線認識部４１は、例えば、ステレオカメラ７で撮像した画像から自車両が走行する道路上の白線をエッジ検出等によって検出し、この白線によって形成される自車両の走行レーンを認識する。そして、認識した走行レーンの曲率Ｋを求め、注視点Ｌにおける目標車線位置Ｘc、走行レーンに対する自車両のなすヨー角θyaw及び横位置Ｘvを演算して出力する。曲率制御部４２は、車線認識部４１から入力された曲率Ｋに所定のゲインＧκを乗算し、カーブに沿って旋回させるためのフィードフォワード制御の操舵トルクに対する目標値を演算する。
【００２６】
横位置制御部４３及び姿勢制御部４４は、共に目標値へのフィードバック制御部であり、本実施の形態においては、横位置制御の目標値を走行レーンの中央位置（目標車線）、ヨー角の目標値を走行レーンの接線に対する角度として、車線中央位置Ｘcと推定横位置Ｘeとの偏差（Ｘc−Ｘe）に所定のフィードバックゲインＧlを乗算して車両の横位置制御の操舵トルクを算出し、ヨー角θyawに所定のゲインＧyを乗算して車両の鉛直軸回りの姿勢制御の操舵トルクを算出する。
【００２７】
積分制御部４５は、車両の横位置Ｘvに所定の加算幅ゲインＧaを乗算した値を積分し、更に、その積分量に所定の積分ゲインＧiを乗算する積分演算を行い、その積分演算に応じた操舵トルクを算出する。この積分演算による操舵トルクにより、車両の横位置制御で残留する偏差を除去し、また、横風や路面カント等による外乱量に応じて発生する偏差を補償することができる。
【００２８】
外乱量は、センサによる計測値、車両モデルを用いた外乱オブザーバ等により、車両に作用する横力として推定する。例えば、ヨーレートセンサ１０によるヨーレートと、操舵角センサ８によって計測した操舵角を車両モデルに入力し、モデルで算出されたヨーレートとを比較することにより、路面カント等によって自車両１に作用する外力を横力外乱量として推定する。また外乱量は、例えば路面カントの勾配を傾斜センサを用いるなど直接計測を行い外乱量を算出しても良い。
【００２９】
尚、本実施の形態においては、カーブ半径（曲率）、車両の横位置、ヨー角は、車両１の前後方向の中心軸の左側を正の値で表し、車両１の前後方向の中心軸の右側を負の値で表していることから、外乱量も、車両１の前後方向の中心軸の左側を正の値で表し、車両１の前後方向の中心軸の右側を負の値で表すものする。
【００３０】
このような車両への外乱に対して、本実施の形態の操舵制御系では、外乱量に応じた積分制御を実行して円滑且つ迅速に目標操舵トルクに収束するように制御している。具体的には、外乱変化に対する適切なタイミングでの積分値のリセット、外乱の大きさに応じた適切な積分量、積分範囲の制限等を行う。
【００３１】
すなわち、一般に、積分制御は外乱変化に対して位相が遅れるため、路面カントが切り替わった場合等には逆方向に操舵される可能性があり、これを回避するため、適切なタイミングで積分値をリセットする必要がある。従来の積分制御では、車線曲率を参照して積分値をリセットしたり、車両の横位置に応じて積分値をリセットしている。前者は車線曲率と外乱方向は必ずしも一致しないため、誤リセットが発生する虞があり、この誤リセットによって再度車両オフセットが発生してしまう状況が想定される。また、後者においては、リセットのタイミングが車線横位置の閾値によって決定されため、外乱の状況によっては不適切なタイミングとなる虞があり、結果車両のオーバーシュート量が大きくなる可能性がある。
【００３２】
このため、本実施の形態では、外乱の状況に応じて積分値をリセットするようにしており、横力外乱推定値の符号が変化したときに積分値をリセットする。これにより、リセットタイミングを外乱の状況に応じた最適なタイミングとすることができ、誤リセットを低減すると共にオーバーシュートを抑制することができる。
【００３３】
また、一般に、積分制御の遅れを低減するには、積分項のゲインを大きくすれば良いが、一義的にゲインを大きくすると、オーバーシュートが発生して制御性が悪化する。このため、本実施の形態では、外乱推定量の大きさに応じて積分の加算値を調整すると共に、積分範囲を制限するようにしている。これにより、オーバーシュートを抑制しつつ積分制御の遅れに対処して外乱変化への追従性を向上することができ、外乱変化の状況に応じた適正な補償を行うことができる。
【００３４】
以上の積分制御は、具体的には、制御ユニット３０で実行されるソフトウェア処理によて実現される。以下、本実施の形態における操舵制御系の積分制御について、図４のフローチャートを参照して説明する。
【００３５】
図４のフローチャートは、制御ユニット３０において所定の時間周期で繰り返し実行される積分制御処理である。この積分制御処理では、先ず、最初のステップＳ１において、自車両が走行している走行車線の曲率や幅等の環境情報、自車両の目標車線に対する横位置、ヨー角等の車両情報を取得する。
【００３６】
次に、ステップＳ２へ進み、自車両の横位置の積分値を算出し、ステップＳ３で横力外乱を推定する。そして、ステップＳ４で外乱推定値の符号が＋側から−側へ或いは−側から＋側へと変化したか否かを判定する。その結果、外乱推定値が符号変化していない場合には、ステップＳ４からステップＳ５へ進み、外乱推定値が所定の閾値未満か否かを調べる。
【００３７】
そして、外乱推定値が閾値以上の場合、ステップＳ６で外乱の大きさに応じて積分の加算幅を変更し、積分値を補正する。この積分加算幅の変更は、本実施の形態においては、車両の横位置Ｘvに乗算する加算幅ゲインＧaを相対的に大きい値のゲインＧa1に変更するものであり、このゲインＧa1（Ｇa1＜Ｇa）を用いることで、閾値以上の外乱が入力されたときに積分加算幅を大きくする補正を行う。ステップＳ７では、外乱の大きさに応じた積分値の制限を行う。積分値の制限は、本実施の形態においては、積分範囲（積分時間）Ｉwを相対的に広い範囲（長い時間）Ｉw1に変更することにより、大きい外乱入力に対して積分値が小さくなり過ぎないように制限し、応答性を確保する。
【００３８】
一方、ステップＳ５において、外乱推定値が閾値未満の場合には、ステップＳ８，Ｓ９で外乱が小さい場合に対応して積分加算幅の変更、積分値の制限を行う。すなわち、ステップＳ８で、車両の横位置Ｘvに乗算する加算幅ゲインＧaを相対的に小さい値のゲインＧa2に変更し、外乱が閾値未満に小さくなったときに積分加算幅を小さくする補正を行う。また、ステップＳ９では、積分範囲（積分時間）Ｉwを相対的に狭い範囲（短い時間）Ｉw2に変更することにより、小さい外乱入力に対して積分値が大きくなり過ぎないように制限し、オーバーシュートの発生を回避する。
【００３９】
ステップＳ６，Ｓ７或いはステップＳ８，Ｓ９で外乱に応じて積分値の補正及び制限を行った後は、ステップＳ１１へ進み、補正及び制限した積分値に積分ゲインＧiを乗算する。そして、ステップＳ１２で積分制御目標値を出力して本処理を抜ける。
【００４０】
その後、外乱の方向が変化し、ステップＳ４で外乱推定値が符号変化した場合、ステップＳ４からステップＳ１０へ進む。ステップＳ１０では、外乱推定値が符号変化したタイミングに対応して積分値を０にリセットし、ステップＳ１１，Ｓ１２を経て本処理を抜ける。この場合、積分値のリセットにより、積分制御の目標値も０にリセットされることになる。
【００４１】
この積分値のリセットによる車両挙動の変化について、図５，図６を用いて説明する。図５は外乱変化が小さい場合の挙動変化の例、図６は外乱変化が大きい場合の挙動変化の例であり、図５では時間Ｔ1から外乱量が徐々に変化を開始し、時間Ｔ2(Ｔ2＞Ｔ1）を境に外乱の方向が切り替わる例を示し、図６では外乱変化をステップ状に変化させた例を示している。また、これらの図５，図６において、横軸は時間、縦軸は上から目標操舵トルク積分値、車両の車線内横位置、横力外乱量を表している。
【００４２】
外乱変化が小さい場合、車線内の横位置によってリセットする従来の手法では、図５に破線で示すように、リセットの閾値が小さい場合、外乱量が少なくなり始め、横位置が閾値を超えたタイミング（図中のＡ点）で積分値がリセットされる。このリセットタイミングでは、外乱の切り替わり点（時間Ｔ2）より早い時点でリセットされるため、車両が再度＋方向にオフセットしてしまい、同方向に再度積分されてしまう。結果、積分制御による車両のオーバーシュートが発生し、ふらつき挙動が大きくなる。
【００４３】
また、図５中に一点鎖線で示すように、横位置の閾値が大きい場合には、外乱の切り替わり点（時間Ｔ2）より後のタイミング（Ｂ点）でリセットされてしまい、積分値が目標コースと逆方向に出力される状況が発生する。結果、車両のオーバーシュート量が大きくなる。
【００４４】
これに対して、本実施の形態における外乱変化に応じた積分リセットでは、図５中に実線で示すように、外乱の切り替わり時（時間Ｔ2のタイミング）で積分値がリセットされる。これにより、横位置のオーバーシュート量を最小限に抑えつつ、早期に車両横位置を目標位置に収束させることができる。
【００４５】
一方、外乱変化が大きい場合には、図６中に一点鎖線で示すように、横位置の偏差に応じてリセットする従来の手法では、外乱が変化しているにも拘わらず、横位置が閾値に達するまでの遅れ分があるため、オーバーシュートの発生が避けられない。この場合、図６中に破線で示すように、積分リセット無しの場合には、大きな位相遅れが発生し、結果、車両のオーバーシュート量が大きくなる。
【００４６】
これに対して、本実施の形態における外乱変化に応じた積分リセットでは、図６中に実線で示すように、外乱変化が速い場合であっても、迅速に積分値をリセットすることができる。結果、横位置のオーバーシュート量を最小限に抑えつつ、早期に車両横位置を目標位置に収束させることができる。
【００４７】
このように本実施の形態においては、サーボ制御における積分値を外乱量の変化に応じて最適なタイミングでリセットし、また、外乱量の大きさに応じて積分制御を最適化することができるため、オーバーシュートを低減しつつ外乱の影響を効果的に補償することができる。
【００４８】
特に、本サーボ制御装置を車両の操舵支援装置に適用した場合、車両に働く外乱の方向が変化したとき積分値をリセットすることで、誤リセットを低減して最適なタイミングでリセットすることができ、オーバーシュートを抑制して車両挙動を安定化させることができる。
【００４９】
しかも、外乱量の大きさに応じて積分の加算値を調整すると共に積分範囲を制限するため、積分制御のゲインを一義的に大きくして制御性を悪化させることなく、オーバーシュートを抑制しつつ積分制御の遅れに対処して外乱変化への追従性を向上することができ、外乱変化の状況に応じた適正な補償を行うことができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  車両
２０  ＥＰＳ制御ユニット
３０  制御ユニット３０
４１  車線認識部
４２  曲率制御部
４３  横位置制御部
４４  姿勢制御部
４５  積分制御部
４６  操舵系
Ｇa  加算幅ゲイン
Ｔd  目標操舵トルク
【図１】
0005525357.tif 000002
【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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