(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
方位センサで検出された車両方位角ψ1および目標方位角ψ2に基づき、車両の操舵指令を生成し、該操舵指令を操舵系に出力することにより車両の方位を制御する車両方位制御装置において、
車両方位角ψ1と目標方位角ψ２との差△ψに車両速度ｕを乗じて横速度誤差ｕ△ψを算出し、さらに横速度誤差ｕ△ψと定数Ｋ1との積Ｋ1ｕ△ψを車両の横方向速度成分である横速度制御量とし、横速度誤差ｕΔψの時間積分と定数Ｋ２との積Ｋ２ｕΔψ／ｓ（ｓはラプラス演算子）を車両の横方向偏移量成分である横位置制御量として、該横速度制御量および該横位置制御量の和に基づき前記操舵指令を演算することを特徴とする車両方位制御装置。
【請求項２】
前記定数Ｋ1及びＫ2は、車両速度ｕの関数であり、車両速度ｕの増減に応じて増減することを特徴とする請求項１に記載の車両方位制御装置。
【請求項３】
方位センサで検出された車両方位角ψ1と目標方位角ψ2との差をΔψとするとき、車両速度ｕと該差Δψとから横速度誤差ｕΔψを算出するステップと、
横速度誤差ｕΔψと定数Ｋ1とから横速度制御量Ｋ1ｕΔψを算出するステップと、
横速度誤差ｕΔψと定数Ｋ2とから横位置制御量Ｋ2ｕΔψ／ｓを算出するステップ（ｓはラプラス演算子）と、
横速度制御量Ｋ1ｕΔψと前記横位置制御量Ｋ2ｕΔψ／ｓとの和演算から操舵指令〔Ｋ1ｕΔψ＋Ｋ2ｕΔψ／ｓ〕を算出するステップと
を有することを特徴とする車両方位制御方法。
【請求項４】
方位センサで検出された車両方位角ψ1と目標方位角ψ2との差をΔψとするとき、車両速度ｕと該差Δψとから横速度誤差ｕΔψを算出するステップと、
横速度誤差ｕΔψと定数Ｋ1とから横速度制御量Ｋ1ｕΔψを算出するステップと、
横速度誤差ｕΔψと定数Ｋ2とから横位置制御量Ｋ2ｕΔψ／ｓを算出するステップ（ｓはラプラス演算子）と、
横速度制御量Ｋ1ｕΔψと前記横位置制御量Ｋ2ｕΔψ／ｓとの和演算から操舵指令〔Ｋ1ｕΔψ＋Ｋ2ｕΔψ／ｓ〕を算出するステップと
をコンピュータに実行させるための車両方位制御用プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、農業用車両などの車両に搭載され、車両の進行方位を制御する車両方位制御装置、方法およびプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の車両方位制御装置の一例を表すブロック線図、図５は図４の車両方位制御装置の構成を示す図である。この車両方位制御装置は、自動田植機などの車両に搭載され、該車両を目標方位に自動的に直進走行させる。この従来の車両方位制御装置では、演算処理部１５は、車両方位角ψ１を方位センサ１から受け、例えばメモリに記憶された目標方位角ψ２との差Δψ（＝ψ２ーψ１）を方位角誤差として演算し、その方位角誤差Δψに比例ゲインＫ1を乗じた値Ｋ1Δψを方位角誤差比例値として演算し、また方位角誤差Δψに積分ゲインＫ2を乗じた値Ｋ2Δψの時間積分値Ｋ2Δψ／ｓを方位角誤差積分値として演算し、方位角誤差比例値Ｋ1Δψおよび方位角誤差積分値Ｋ2Δψ／ｓの和（Ｋ1Δψ＋Ｋ2Δψ／ｓ）を演算し、この和の値を操舵指令Ｄとして操舵部４へ供給する。操舵部４は、操舵指令Ｄに応じて車両の舵角θを制御し、方位角誤差Δψがゼロになる方向に車両の操舵系を制御している。ここで、舵角θは車両の操舵機構における機械的な操舵角度である。
【０００３】
特開平０８−１３７５４９号公報には、別の従来の車両方位制御装置が開示されている。特開平０８−１３７５４９号公報の装置は、車両進行方向に垂直な方向における車両位置のずれ量と、速度検出手段で検出された走行速度に基づいて、ずれ量がゼロになるように車両操舵角を制御している。この車両方位制御では、車両の走行速度が大きいほど車両の操舵角を小さくしている。
【０００４】
また、特開平０７−１１０７１２号公報には、さらに別の従来の車両方位制御装置が開示されている。特開平０７−１１０７１２号公報の装置は、車両が走行する走行路における基準線からの横方向の位置偏差量およびその横偏差量の時間微分値にゲインを掛けたものを加算し、加算値を操舵指令とする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４及び図５に示した従来の装置では、目標方位角ψ2からの車両方位角ψ1のずれ量である方位角誤差Δψを演算し、その方位角誤差Δψに比例ゲインＫ1を乗じた値Ｋ1Δψを方位角誤差比例値として演算し、また方位角誤差Δψに積分ゲインＫ2を乗じた値Ｋ2Δψの時間積分値Ｋ2Δψ／ｓを方位角誤差積分値として演算し、方位角誤差比例値Ｋ1Δψおよび方位角誤差積分値Ｋ2Δψ／ｓの和（Ｋ1Δψ＋Ｋ2Δψ／ｓ）を演算し、この和の値を操舵指令Ｄとして操舵部４へ供給する。このように、方位角誤差比例値Ｋ1Δψと方位角誤差積分値Ｋ2Δψ／ｓとの和（Ｋ1Δψ＋Ｋ2Δψ／ｓ）を操舵指令Ｄとする従来の装置では、目標方位角ψ２に対する車両方位角ψ１の比、即ちこの制御系の伝達特性は、
0003718721.tif 000002
となる。
【０００６】
式（１）におけるＫ1及びＫ2は定数であるから、従来の車両方位制御装置の伝達特性には、車両の直進方向の速度、即ち車両速度ｕに関する項が含まれていない。即ち、式（１）の伝達特性は、車両速度ｕに拘わらず一定である。したがって、式（１）の伝達特性で制御される装置では、ある１つの計画車両速度ｕ0で最適な応答性を示す制御系を設計したとしても、その制御系は計画車両速度ｕ0から離れた車両速度ｕでは最適特性からずれた特性でしか応答できない。式（１）の伝達特性の制御系で操舵指令Ｄを生成する従来の車両方位制御装置は、車両速度ｕが計画車両速度ｕ0より速いときは制御系の応答遅れにより、車両方位ψ1が目標方位角ψ2からずれる量（方位角誤差Δψ）が大きくなり、ひいては車両の走行径路と設定径路との誤差が大きくなる。また、車両速度ｕが計画車両速度ｕ0より遅いときは、操舵系が不必要に頻繁に舵角θを変動させることとなり、車両の乗り心地が悪い。このように、図４及び図５に示した従来の装置では、車両速度ｕが遅いときにはゆっくりと操舵をし、車両速度ｕが速いときには素早く操舵をするという人の操舵態様から大きく乖離した操舵態様とならざるを得ない。
【０００７】
また、特開平０８−１３７５４９号公報の車両方位制御装置では、進行方向の速度を制御系に使用してはいるが、旋回角速度を一定することを目的としており、目標方位角ψ2に車両方位ψ1を正確に追随させるには向いていない。前述の特開平０７−１１０７１２号公報の装置は、横偏差および横速度に加えて、道路曲率を参照して車両の方位を制御する方式であり、構成が複雑である。
【０００８】
本発明は、前述の点に鑑みてなされたものであり、広い範囲の車両速度において目標方位に正確に追随でき、人の操縦に近い態様の乗り心地のよい応答性を示し、しかも構成が単純な車両方位制御装置、車両方位制御方法および車両方位制御プログラムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために本発明は次の手段を提供する。
【００１０】
[１]車両の横方向速度および横方向偏移量に応じ操舵指令を生成することを特徴とする車両方位制御装置。
【００１１】
[２]目標方位角ψ2及び車両方位角ψ1の差Δψ（＝ψ2−ψ1）と車両の進行方向の速度である車両速度ｕとを乗じた横速度誤差ｕΔψに基づき前記横方向速度の成分を演算し、該横速度誤差ｕΔψの時間積分に基づき前記横方向偏移量の成分を演算することを特徴とする前記[１]に記載の車両方位制御装置。
【００１２】
[３]前記横速度誤差ｕΔψと乗数Ｋ1との積Ｋ1ｕΔψを前記横方向速度成分である横速度制御量とし、該横速度誤差ｕΔψの時間積分と乗数Ｋ2との積Ｋ2ｕΔψ／ｓ（ｓはラプラス演算子）を前記横方向偏移量成分である横位置制御量とし、該横速度制御量および該横位置制御量の和に基づき前記操舵指令を演算することを特徴とする前記[２]に記載の車両方位制御装置。
【００１３】
[４]方位センサで検出された車両方位角ψ1および目標方位角ψ2に基づき車両の操舵指令を生成する操舵指令生成手段を備え、該車両の操舵系に該操舵指令を供給することにより、該車両の方位を制御する車両方位制御装置において、
前記車両の進行方向の速度を車両速度ｕとして検出する速度計を備え、
前記操舵指令生成手段は、ψ2−ψ1＝Δψとするとき、ｕΔψに比例する横速度制御量とｕΔψの時間積分値に比例する横位置制御量との和に基づき前記操舵指令を生成する
ことを特徴とする車両方位制御装置。
【００１４】
[５]車両の方位角ψ1を検出する方位センサと、該車両の進行方向の速度を車両速度ｕとして検出する速度計と、該車両方位角ψ1と目標方位角ψ2と該車両速度ｕとから該車両の操舵指令を生成する操舵指令生成手段とを有し、
前記操舵指令生成手段は、ψ2−ψ1＝Δψとするとき、ｕΔψなる計算式で表される横速度誤差の演算と、Ｋ1ｕΔψなる計算式で表される横速度制御量の演算（Ｋ1は乗数）と、Ｋ2ｕΔψ／ｓなる計算式（Ｋ2は乗数、ｓはラプラス演算子）で表される横位置制御量の演算と、該横速度制御量および該横位置制御量を加算する和演算とを行い、該和演算で得た加算値〔Ｋ1ｕΔψ＋Ｋ2ｕΔψ／ｓ〕を前記操舵指令として出力する
ことを特徴とする車両方位制御装置。
【００１５】
[６]前記乗数Ｋ1及びＫ2は、前記車両速度ｕの関数であり、該車両速度ｕの増減に応じて増減することを特徴とする前記[３]乃至[５]に記載の車両方位制御装置。
【００１６】
[７]方位センサで検出された車両方位角ψ1と目標方位角ψ2との差（ψ2−ψ1）を方位角誤差Δψとして算出するステップと、
速度計で検出された車両進行方向の速度である車両速度ｕと前記方位角誤差Δψとから横速度誤差ｕΔψを算出するステップと、
前記横速度誤差ｕΔψと乗数Ｋ1とから横速度制御量Ｋ1ｕΔψを算出するステップと、
前記横速度誤差ｕΔψと乗数Ｋ2とから横位置制御量Ｋ2ｕΔψ／ｓを算出するステップ（ｓはラプラス演算子）と、
前記横速度制御量Ｋ1ｕΔψと前記横位置制御量Ｋ2ｕΔψ／ｓとの和演算から操舵指令〔Ｋ1ｕΔψ＋Ｋ2ｕΔψ／ｓ〕を算出するステップと
を有することを特徴とする車両方位制御方法。
【００１７】
[８]方位センサで検出された車両方位角ψ1と目標方位角ψ2との差（ψ2−ψ1）を方位角誤差Δψとして算出するステップと、
速度計で検出された車両進行方向の速度である車両速度ｕと前記方位角誤差Δψとから横速度誤差ｕΔψを算出するステップと、
前記横速度誤差ｕΔψと乗数Ｋ1とから横速度制御量Ｋ1ｕΔψを算出するステップと、
前記横速度誤差ｕΔψと乗数Ｋ2とから横位置制御量Ｋ2ｕΔψ／ｓを算出するステップ（ｓはラプラス演算子）と、
前記横速度制御量Ｋ1ｕΔψと前記横位置制御量Ｋ2ｕΔψ／ｓとの和演算から操舵指令〔Ｋ1ｕΔψ＋Ｋ2ｕΔψ／ｓ〕を算出するステップと
をコンピュータに実行させるための車両方位制御用プログラム。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明になる車両方位制御装置の一実施の形態を表すブロック線図である。また、図２は、本発明になる車両方位制御装置の別の実施の形態を表すブロック線図である。図２のブロック線図は、制御理論上図１のブロック線図に等価である。図３は、図１に示した車両方位制御装置の構成を示す図である。図２の実施の形態は図１の実施の形態に制御理論上は等価であるから、以下では図１及び図３を参照して本発明の一実施の形態を説明する。
【００２０】
図３に示すように、本実施の形態の車両方位制御装置は、方位センサ１、速度計３、操舵部４および演算処理部５を含んで構成されている。この車両方位制御装置は、自動田植機などの如くの農業作業車に搭載されて好適である。自動田植機の使用形態では、予め設定した目標方位に直進するように自動操向させることが多い。目標方位角ψ2としては、たとえば、自動田植機の教習行程で取得した方位角を演算処理部５のメモリＲＡＭに格納したものを用いてもよい。
【００２１】
操舵部４は増幅部とアクチュエータと操舵機構とからなる。増幅部は、電気信号である操舵指令Ｄを増幅する。アクチュエータは、増幅された操舵指令Ｄを受け、操舵指令Ｄに応じて操舵機構を駆動する。操舵機構は、車輪と、アクチュエータの出力を車輪に伝える伝達機構とでなる。舵角θは、操舵機構の機械的な角度であり、ここでは車輪の角度である。速度計３は、車両の進行方向の速度を車両速度ｕとして検出する。
【００２２】
演算処理部５は、前述の操舵指令生成手段に相当し、中央処理部ＣＰＵ、メモリＲＯＭ、メモリＲＡＭ、入出力インターフェイス等で構成されている。中央処理部ＣＰＵは、方位センサ１および速度計３から入出力インターフェイスを介して入力された検出値につき演算をし、演算の結果を入出力インターフェイスを介して操舵部４へ出力する。メモリＲＯＭは主に演算用プログラム等を格納する。メモリＲＡＭは、各種検出・計測・設定データを格納する。
【００２３】
この車両方位制御装置における車両方位制御方法について、図１のブロック線図及び図3の構成図を参照して説明する。演算処理部５は、方位センサ１で検出した車両方位角ψ1、速度計３で検出した車両速度ｕを入力する。演算処理部５において、たとえばメモリＲＡＭに記憶された目標方位角ψ２と検出した車両方位角ψ１の差Δψ（＝ψ２ーψ１）を方位角誤差として演算し、方位角誤差Δψに車両速度ｕを乗じる演算により横速度誤差ｕΔψを生成する。さらに、演算処理部５において、横速度誤差ｕΔψに比例ゲインＫ1を乗じる演算により横速度制御量Ｋ1ｕΔψを生成し、また横速度誤差ｕΔψに積分ゲインＫ2を乗じるとともに時間積分を施す演算により、横位置制御量Ｋ2ｕΔψ／ｓを生成する。ここで、ｓはラプラス演算子を表し、１／ｓは時間積分の演算を表す。横位置制御量は、車両の横方向のずれ量を表し、請求項１及び課題を解決するための手段の欄[１]おける横方向偏移量に相当する。さらに、演算処理部５において、横速度制御量Ｋ1ｕΔψ及び横位置制御量Ｋ2ｕΔψ／ｓの和を演算することにより、操舵指令Ｄを生成する。Ｄ＝Ｋ1ｕΔψ＋Ｋ2ｕΔψ／ｓである。
【００２４】
この図１に示したブロック線図による制御系では、目標方位角ψ２に対する車両方位角ψ１の比、即ちこの制御系の伝達特性は、
0003718721.tif 000003
となる。
【００２５】
式（２）におけるＫ1及びＫ2は定数であるが、この車両方位制御装置の伝達特性は、車両の直進方向の速度、即ち車両速度ｕに関する項を含んでおり、車両速度ｕが増大すると制御系のゲインが増大し、応答速度が増大する。式（２）を式（１）と対比して明らかなように、式（２）におけるｕＫ1は式（１）における比例ゲインＫ1に対応し、式（２）におけるｕＫ２は式（１）における積分ゲインＫ２に対応する。即ち本実施の形態では、比例ゲインをｕＫ1とし、積分ゲインをｕＫ２とした図４の従来の装置に等価である。
【００２６】
したがって、式（２）の伝達特性で制御される装置では、広い範囲の比例ゲイン車両速度ｕで好適な応答性を示す制御系を設計できる。そこで、この制御系は広い範囲の車両速度ｕで最適特性に近い特性で応答できる。式（２）の伝達特性の制御系で操舵指令Ｄを生成するこの車両方位制御装置は、車両速度ｕが大きいとき、制御系のゲインが大きくなるから、大きい車両速度ｕにおいて応答遅れが人の運転に近い程度に小さく、車両方位ψ1が目標方位角ψ2からずれる量（方位角誤差Δψ）が小さく、ひいては車両の走行径路と設定径路との誤差は小さいものとなる。また、車両速度ｕが遅いときは、制御系のゲインが小さくなるから、操舵系は不必要に頻繁に舵角θを変動させることがなく、低速における車両の乗り心地がよい。このように、図１に示した装置では、車両速度ｕが遅いときにはゆっくりと操舵をし、車両速度ｕが速いときには素早く操舵をするという人の操舵態様に近い操舵態様で車両を操舵でき、車両速度ｕに拘わらず安定に目標方位に直進できる。
【００２７】
なお、図１乃至図３の実施形態に関する以上の説明では、比例ゲインＫ1及び積分ゲインＫ2は一定値とした。しかしながら、比例ゲインＫ1及び積分ゲインＫ2は必ずしも一定値である必要はなく、車両速度ｕの関数としても差し支えない。車両速度ｕの増大および減少に対応してそれぞれ増大および減少をする関数の採用により、本発明の車両方位制御装置の応答性を一層向上できる。また、上述の車両方位制御方法は、ＲＯＭメモリなどに記憶したコンピュータプログラムで実行させることができる。
【００２８】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、広い範囲の車両速度において目標方位に正確に追随でき、人の操縦に近い態様の乗り心地のよい応答性を示し、しかも構成が単純な車両方位制御装置、車両方位制御方法および車両方位制御プログラムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる車両方位制御装置の一実施の形態を表すブロック線図である。
【図２】本発明になる車両方位制御装置の別の実施の形態を表すブロック線図である。
【図３】図１に示した車両方位制御装置の構成を示す図である。
【図４】従来の車両方位制御装置の一例を表すブロック線図である。
【図５】図４に示した従来の車両方位制御装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１：方位角センサ
３：速度計
４：操舵部
５，１５：演算処理部
Ｄ：操舵指令
Ｋ1：比例ゲイン
Ｋ2：積分ゲイン
ｓ：ラプラス演算子
ｕ：車両速度
ψ1：車両方位角
ψ2：目標方位角
【図１】
0003718721.tif 000004
【図２】
0003718721.tif 000005
【図３】
0003718721.tif 000006
【図４】
0003718721.tif 000007
【図５】
0003718721.tif 000008