(57)【要約】【課題】ドライバの操舵との干渉を防止しつつ、応答性を要求される状況においても十分なゲイン特性・位相特性を得る。【解決手段】外乱値の符号変化及び曲率の変化がない場合、舵角制御配分比Ｎctrlを０に設定し（Ｓ８）、外乱値の符号変化がある場合或いは曲率の変化がある場合、舵角制御配分比Ｎctrlを１に設定する（Ｓ９）。そして、この舵角制御配分比Ｎctrlを用いて最終目標操舵トルクＴcmdを算出する（Ｓ１０）。これにより、Ｎctrl＝０の場合、最終目標操舵トルクＴcmdがトルク制御の目標操舵トルクＴtrqdとされてドライバの操舵と干渉することなく操舵支援を行う。一方、Ｎctrl＝１の場合には、最終目標操舵トルクＴcmdがトルク制御の目標操舵トルクＴtrqdに舵角フィードバック制御の目標操舵トルクＴstrdを加算した操舵トルクとされ、目標操舵角に追従性良く収束するよう操舵支援する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自車両が車線に沿って走行するように操舵系に操舵トルクを付与してドライバに対する操舵支援を行う車両の操舵支援装置において、
操舵支援の目標値で発生する外力トルクを補償するトルクで操舵支援を行うトルク支援制御部と、
前記目標値に対するフィードバック制御によって操舵支援を行うフィードバック支援制御部と、
前記目標値に対する応答性の要求の大小を判断し、該応答性の要求の大小に応じて前記トルク支援制御部に加算される前記フィードバック支援制御部の制御配分比を設定する制御配分設定部と
を備えることを特徴とする車両の操舵支援装置。
【請求項２】
前記制御配分設定部は、前記目標値に対する応答性の要求の大小を、外乱値に基づいて判断することを特徴とする請求項１記載の車両の操舵支援装置。
【請求項３】
前記制御配分設定部は、前記目標値に対する応答性の要求の大小を、走行路の曲率に基づいて判断することを特徴とする請求項１記載の車両の操舵支援装置。
【請求項４】
前記制御配分設定部は、前記目標値に対する応答性の要求が小さいと判断したとき、前記フィードバック支援制御部の制御配分比を零に設定することを特徴とする請求項１記載の車両の操舵支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車線に沿って走行するように操舵系に操舵トルクを付与してドライバに対する操舵支援を行う車両の操舵支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車等の車両においては、ドライバの運転操作の負担を軽減する各種支援装置が開発されている。特に、ドライバの操舵を補助する操舵支援装置は、車両の車線逸脱を防止しつつ、ドライバの負担を軽減することができる。
【０００３】
このような操舵支援装置においては、特許文献１に開示されているように、ドライバの操舵との干渉防止を考慮した制御形態を取ることが一般的であり、舵角よりも操舵トルクをアシストするトルク制御を採用することが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−７８９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、舵角よりも操舵トルクをアシストするトルク制御は、制御特性が操舵系の特性に依存するため、目標とする操舵角に対する追従性能を考慮すると、急カーブや路面カントの勾配方向が変化した状況等のように、目標値に対する応答性を要求される状況では、十分なゲイン・位相特性が得られない場合がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ドライバの操舵との干渉を防止しつつ、応答性を要求される状況においても十分なゲイン特性・位相特性を得ることのできる車両の操舵支援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】
【０００７】
本発明による車両の操舵支援装置は、自車両が車線に沿って走行するように操舵系に操舵トルクを付与してドライバに対する操舵支援を行う車両の操舵支援装置において、操舵支援の目標値で発生する外力トルクを補償するトルクで操舵支援を行うトルク支援制御部と、前記目標値に対するフィードバック制御によって操舵支援を行うフィードバック支援制御部と、前記目標値に対する応答性の要求の大小を判断し、該応答性の要求の大小に応じて前記トルク支援制御部に加算される前記フィードバック支援制御部の制御配分比を設定する制御配分設定部とを備えるものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ドライバの操舵との干渉を防止しつつ、応答性を要求される状況においても十分なゲイン特性・位相特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】操舵支援装置の構成図
【図２】操舵制御系の機能ブロック図
【図３】目標相舵角に対する実操舵角の応答を示す説明図
【図４】車両座標系における走行車線を示す説明図
【図５】外乱値に基づく制御系の切換えを示す説明図
【図６】曲率値に基づく制御系の切換えを示す説明図
【図７】操舵支援制御処理のフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。  
本実施の形態における操舵支援装置は、車両を目標コースに追従させて走行させ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を介して操舵支援するものとする。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。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。
【００１７】
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２のブロック図に示すように、車線認識部４１、目標操舵角設定部４２、トルク支援制御部４３、フィードバック（Ｆ／Ｂ）支援制御部４４、制御配分設定部４５、ＥＰＳ２による操舵系４６を備えて構成されている。図２に示す操舵制御系は、ドライバの操舵との干渉を考慮し、目標操舵角で発生が予想される路面反力をトルクで補償するトルク制御を基本としているが、目標操舵角に対する迅速な応答性を要求される状況では、実操舵角のＰＩＤ制御による舵角フィードバック制御を併用する。
【００１８】
これは、目標操舵角に対する追従性能を考慮した場合、トルク制御は操舵系の特性に依存して十分なゲイン・位相特性が得られない場合があるからである。すなわち、トルク制御においては、位相余裕を考慮して車線追従のフィードバック系のゲインを設定するが、横風や路面カント（横断勾配）の変化等による外乱入力時、急カーブ等の直線路から曲線路への遷移時等には、図３に示すように、制御系の周波数応答を比較すると、舵角フィードバック制御に比較してトルク制御はゲイン及び位相の遅れが顕著となる。従って、本実施の形態においては、目標操舵角に対する応答性の要求の大小を判断し、応答性の要求が大きいと判断される場合には、舵角フィードバック制御を導入することにより、トルク制御のゲイン・位相特性を補償する。
【００１９】
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、目標操舵角設定部４２、トルク支援制御部４３、フィードバック支援制御部４４、制御配分設定部４５は、制御ユニット３０の機能として形成されている。
【００２０】
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。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４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４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。
【００２１】
そして、車両の状態量に基づいて自車両の走行軌跡（図４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、車両の諸元や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。
【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】
車両の横位置Ｘeは、例えば、車両の諸元や車両固有のスタビリティファクタ等を用いる場合には、以下の（１）式に基づいて求めることができる。また、車速やヨーレートを用いる場合には、以下の（２）式に基づいて横位置Ｘeを求めることができる。  
Ｘe＝α・Ｌz2／(２(１＋Ａ・Ｖ2)・Ｌw・Ｎsgr) …（１）
Ｘe＝γ・Ｌz2／２Ｖ …（２）
但し、 α：操舵角
Ｌz：注視距離（注視点までの距離）
Ａ：スタビリティファクタ
Ｖ：車速
Ｌw：ホイールベース
Ｎsgr：ステアリングギヤレシオ
γ：ヨーレート
【００２４】
目標操舵角設定部４２は、以下の（３）式に示すように、目標コース（目標車線）に追従するための目標操舵角αdを、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に基づく操舵角、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角、車両ヨー角θyawを閉ループで目標値に収束させるための操舵角から算出する。  
αd＝Ｇff・Ｋ＋Ｇl・(Ｘc−Ｘe)＋Ｇy・θyaw …（３）
但し、Ｇff：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
【００２５】
この目標操舵角αdを実現する操舵トルクは、トルク支援制御部４３とフィードバック支援制御部４４とにおいて、それぞれ算出される。そして、フィードバック支援制御部４４で算出された操舵トルクが、制御配分設定部４５で設定された配分比に応じた比率で合算されて操舵系に出力される。フィードバック支援制御部４４からの操舵トルクの配分比は、外乱や走行路の状態に応じて設定され、目標操舵角αdに対する応答性の要求が大きい場合に舵角フィードバック制御を導入することにより、トルク制御のゲイン・位相特性を補償する。
【００２６】
具体的には、トルク支援制御部４３は、目標操舵角への制御で発生するセルフアライニングトルク等の外力トルクを補償する操舵トルクを、目標操舵角を達成する目標操舵トルクＴtrqdとして算出する。この目標操舵トルクＴtrqdは、以下の（４）式に示すように、二輪モデルの定常円旋回式を用いて表されるセルフアライニングトルクから算出することができる。  
Ｔtrqd＝２ξ・Ｋf・(Ｌw・Ａ＋Ｌf・Ｍ／Ｌw・Ｋr)・Ｖ2・αd／(Ｎsgr・Ｌw・(１＋Ａ・Ｖ2)) …（４）
但し、 ξ：トレール
Ｋf：前輪コーナリングパワー
Ｋr：後輪コーナリングパワー
Ｌf：重心点−前輪間距離
Ｌr：重心点−後輪間距離
Ｍ：車両質量
【００２７】
フィードバック支援制御部４４は、目標操舵角に対する実操舵角のフィードバック制御により、目標操舵角を達成する操舵トルク（目標操舵トルク）を算出する。このフィードバック制御の目標操舵トルクＴstrdは、以下の（５）式に示すように、目標操舵角に対する実操舵角のＰＩＤ制御で算出される。  
Ｔstrd＝Ｇp・(αd−α)＋Ｇd・d(αd−α)／dt＋Ｇi・∫(αd−α)dt …（５）
但し、 α：実操舵角
Ｇp：比例ゲイン
Ｇd：微分ゲイン
Ｇi：積分ゲイン
【００２８】
制御配分設定部４５は、目標操舵角に対する応答性の要求の大小を判断し、その判断結果に応じてトルク支援制御部４３による制御とフィードバック支援制御部４４による制御との配分比（舵角制御配分比）Ｎctrlを設定する。そして、この舵角制御配分比Ｎctrlを用いた以下の（６）式により、最終的に操舵系のアクチュエータ（ＥＰＳ２のモータ６）に指示する目標操舵トルク（最終目標操舵トルク）Ｔcmdを算出する。  
Ｔcmd＝Ｔtrqd＋Ｎctrl・Ｔstrd …（６）
【００２９】
舵角制御配分比Ｎctrlは、本実施の形態においては、目標操舵角に対する応答性の要求の大小を判断する状況として、以下の（ａ），（ｂ）に示すような状況を想定しており、Ｎctrl＝１，Ｎctrl＝０の２値で設定される。Ｎctrl＝０の場合はトルク制御のみの基本制御状態であり、Ｎctrl＝１の場合、トルク制御にフィードバック制御を付加して目標操舵角に対する応答性を向上させる。
【００３０】
（ａ）路面カントの勾配変化や横風等の外乱
制御系に入力される外乱値を推定し、図５に示すように、外乱値の変化率が閾値を超えたとき、若しくは外乱値の符号の切り替りがあったとき、目標操舵角に対する応答性の要求が大きいと判断し、一定時間Ｔstrの間、舵角制御配分比Ｎctrlを０から１に変更する。その結果、全体の操舵制御系がトルク制御のみの制御系からトルク制御にフィードバック制御を付加した制御系に切換えられる。
【００３１】
尚、外乱値は、センサによる計測値、車両モデルやステアリングモデル等により、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値として推定する。また、外乱値は、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うことで、算出しても良い。
【００３２】
（ｂ）直線路から曲線路への遷移
ステレオカメラ７で検出した走行レーンの曲率の変化率が閾値を越えたとき、目標操舵角に対する応答性の要求が大きいと判断し、図６に示すように、一定時間Ｔstrの間、舵角制御配分比Ｎctrlを０から１に変更する。この場合においても、全体の操舵制御系がトルク制御のみの制御系からトルク制御にフィードバック制御を付加した制御系に切換えられる。
【００３３】
以上の操舵制御系における処理は、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って実行される。以下、操舵制御系の操舵支援制御について、図７のフローチャートを参照して説明する。
【００３４】
図７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操舵支援制御処理である。この操舵支援制御処理では、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車線情報を取得し、ステップＳ２で、自車両の目標車線に対する横位置やヨー角等の車両状態量を取得する。
【００３５】
次に、ステップＳ３へ進み、トルク制御における目標操舵トルクＴtrqdを、前述の（４）式に基づいて算出し、ステップＳ４で舵角フィードバック制御における目標操舵トルクＴstrdを、前述の（５）式に基づいて算出する。そして、ステップＳ５で外乱値を推定し、ステップＳ６で外乱値の符号が＋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。尚、ここでは、外乱値の符号の切り替りを判定するものとするが、外乱値の変化率が閾値を超えたか否かを判定するようにしても良い。
【００３６】
その結果、外乱値が符号変化している場合には、ステップＳ６からステップＳ７へ進み、走行車線の曲率が変化しているか否かを調べる。そして、曲率の変化がない場合、ステップＳ７からステップＳ８へ進んで、舵角制御配分比ＮctrlをＮctrl＝０に設定し、ステップＳ１０へ進む、一方、ステップ６で外乱値の符号変化がある場合、或いはステップＳ７で曲率の変化がある場合には、ステップＳ９で、一定時間Ｔstrの間、舵角制御配分比ＮctrlをＮctrl＝１に設定し、ステップＳ１０へ進む。
【００３７】
ステップＳ１０では、舵角制御配分比Ｎctrlを用いて前述の（６）式により、最終目標操舵トルクＴcmdを算出する。外乱値の符号変化がなく、走行車線の曲率も変化していない場合には、Ｎctrl＝０により、最終目標操舵トルクＴcmdがトルク制御の目標操舵トルクＴtrqdとされて、ドライバの操舵と干渉することなく操舵支援を行う。一方、外乱値の符号変化がある場合又は曲率の変化がある場合には、Ｎctrl＝１により、最終目標操舵トルクＴcmdがトルク制御の目標操舵トルクＴtrqdに舵角フィードバック制御の目標操舵トルクＴstrdを加算した操舵トルクとされ、目標操舵角に追従性良く収束するよう操舵支援する。
【００３８】
このように本実施の形態においては、操舵制御系に、目標操舵角で発生する外力トルクを補償するトルク支援制御部４３と、目標操舵角に対する実操舵角のフィードバック制御を行うフィードバック支援制御部４４との２系統の制御系を備え、これらの２系統の制御系を目標操舵角に対する応答性の要求の大小に応じて機能させるようにしている。すなわち、目標操舵角に対する応答性の要求が比較的小さい通常の状況では、トルク制御によってドライバの操舵との干渉を防止することができ、横風や路面カントの変化等による外乱入力時、急カーブ等の直線路から曲線路への遷移時等の応答性を要求される状況においては、舵角のフィードバック制御を導入することで、トルク制御のゲイン特性・位相特性を補償し、応答性を向上させて良好な支援性能を得ることができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  自車両
２  電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）
２０  ＥＰＳ制御ユニット
３０  制御ユニット
４１  車線認識部
４２  目標操舵角設定部
４３  トルク支援制御部
４４  フィードバック支援制御部
４５  制御配分設定部
【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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【図７】
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