(57)【要約】      （修正有）【課題】ステアバイワイヤシステムを備えた車両で半自動運転を行う場合は、車輪の角度は、ステアリングホイールの操舵角とは独立して制御されるため、ステアリングホイールと車輪の角度が連係しなくなる。ステアリングホイールと車輪の角度が連係する制御を提供する。【解決手段】半自動運転の方法は、半自動運転計画（ＳＡＤＰ）システムから受け取られる車輪角度３３３の目標値を追跡して操舵角３４３及び車輪角度の値を求める。本方法は、車輪１１３の動きに対する制約と、ステアリングホイール１０３の動きに対する制約と、ステアリングホイール及び車輪の作動に対する制約と、車輪の動きに対するステアリングホイールの相対的な動きに対する制約とを含む制約を条件として、操舵角及び車輪角度の値を求める。コラムモーター及びラックモーターに対する制御コマンドは、操舵角及び車輪角度の値に従って生成される。【選択図】図３Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリングホイールが車輪から機械的に切り離されており、それにより前記ステアリングホイールの操舵角が、ラックモーターによって制御される前記車輪の車輪角度とは無関係にコラムモーターによって制御されるステアバイワイヤシステムを備えた車両の半自動運転の方法であって、
半自動運転計画（ＳＡＤＰ）システムから前記車輪角度の目標値を受け取ることと、
前記車輪の動きに対する制約と、ステアリングホイールの動きに対する制約と、前記ステアリングホイール及び前記車輪の作動に対する制約と、前記車輪の動きに対する前記ステアリングホイールの相対的な動きに対する制約とを含む制約を条件として、前記車輪角度の前記目標値を追跡して、前記操舵角及び前記車輪角度の値を求めることと、
前記操舵角及び前記車輪角度の前記値に従って、前記コラムモーター及び前記ラックモーターに対する制御コマンドを生成することと、
を含み、
前記方法のステップはプロセッサによって実行される、方法。
【請求項２】
前記求めることは、
前記車輪角度の前記目標値に非線形フィルターを反復的に適用して、各反復において前記制約が満足されるように、前記操舵角及び前記車輪角度の前記値を求めること、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記非線形フィルターは、第１のフィルター及び第２のフィルターを含み、
前記車輪角度の前記目標値に前記第１のフィルターを適用して前記車輪角度の前記値を生成することと、
前記車輪角度の前記値をスケーリングして前記車輪角度のスケーリングされた値を生成することと、
前記車輪角度の前記スケーリングされた値に前記第２のフィルターを適用して、前記操舵角の前記値を生成することと、
を更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記非線形フィルターは、多変量非線形フィルターを含み、
制御の各時間ステップにおいて、前記操舵角及び前記車輪角度の前記値を同時に求めること、
を更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記求めることは、
不変集合から前記目標値に最も近い前記操舵角及び前記車輪角度の前記値を求めること、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記車輪角度の前記目標値は、前記車両の移動の状態と前記車両の前記移動の目的とに基づいて求められ、それにより、前記目標値は前記ステアリングホイールの状態とずれている、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記車輪の動きに対する前記制約は、前記車輪角度に対する制約と、前記車輪角度の変化の速度に対する制約と、前記車輪角度の角加速度に対する制約とのうちの１つ又は組合せを含み、
前記ステアリングホイールの動きに対する前記制約は、前記操舵角に対する制約と、前記操舵角の変化の速度に対する制約と、前記ステアリングホイールの角加速度に対する制約とのうちの１つ又は組合せを含み、
前記車輪の動きに対する前記ステアリングホイールの相対的な動きに対する前記制約は、スケーリングされた車輪角度と前記操舵角との差に対する制約と、前記車輪角度のスケーリングされた値と前記操舵角の値との差に対する制約と、前記車輪角度の変化のスケーリングされた速度と前記操舵角の変化の速度との差に対する制約と、車輪角度のスケーリングされた角加速度と前記操舵角の角加速度との差に対する制約とのうちの１つ又は組合せを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記求めることは、
前記車輪角度の前記値と前記車輪角度の前記目標値との間の第１の関係と、前記操舵角の前記値と前記車輪角度の前記値との間の第２の関係とを指定するコスト関数を最適化すること、
を含み、前記最適化は前記制約を条件とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の関係は、前記車輪角度の前記値と前記車輪角度の前記目標値に非負定数を掛けた値との差の平方を含み、前記第２の関係は、前記車輪角度のスケーリングされた値と前記操舵角の前記値との差の平方を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記車輪角度の前記目標値を追跡する迅速性を、前記操舵角を前記車輪角度と位置合せする迅速性と平衡させるように、前記非負定数の値を求めることであって、前記非負定数の前記値を増大させることにより、前記車輪角度による前記目標値の追跡の前記迅速性が向上し、前記非負定数の前記値を低減することにより、前記操舵角度の前記車輪角度との位置合せの迅速性が向上する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記操舵角、前記車輪角度の値の実行可能領域と、前記制約を満足させる前記ステアリングホイール及び前記車輪の状態とを求めることと、
前記実行可能領域の一部として不変集合を、前記ステアバイワイヤシステムのダイナミクスの１ステップの展開の後、前記操舵角、前記車輪角度の前記値と、前記ステアリングホイール及び前記車輪の前記状態とが前記不変集合内にあるように、求めることと、
前記不変集合から前記操舵角及び前記車輪角度の値を選択することと、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記選択することは、制約付き二次計画の解に基づく、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
車両の動作を制御するステアバイワイヤシステムであって、
ラックモーターの動きを介して車輪の車輪角度を制御するステアリングラックサブシステムと、
コラムモーターの動きを介してステアリングホイールの操舵角を制御するステアリングコラムサブシステムであって、前記ステアリングホイールは前記車輪から機械的に切り離されており、それにより、前記ステアリングホイールの前記操舵角は、前記ラックモーターによって制御される前記車輪の前記車輪角度とは無関係に前記コラムモーターによって制御される、ステアリングコラムサブシステムと、
制御システムであって、
前記車輪角度の目標値を求める半自動運転計画（ＳＡＤＰ）システムと、
前記車輪の動きに対する制約と、ステアリングホイールの動きに対する制約と、前記ステアリングホイール及び前記車輪の作動に対する制約と、前記車輪の動きに対する前記ステアリングホイールの相対的な動きに対する制約とを含む制約を条件として、前記車輪角度の前記目標値を追跡して、前記操舵角及び前記車輪角度の値を求め、前記操舵角及び前記車輪角度の前記値に従って、前記コラムモーター及び前記ラックモーターに対する制御コマンドを生成する電子制御ユニット（ＥＣＵ）と、
を備える制御システムと、
を備えるステアバイワイヤシステム。
【請求項１４】
前記ＥＣＵは、
前記ステアリングラックサブシステムの状態及び前記ステアリングコラムサブシステムの状態に基づいて前記車輪角度の前記目標値を非線形フィルタリングして、前記操舵角及び前記車輪角度の前記値を生成するガバナーと、
前記操舵角の前記値に基づいて前記コラムモーターに対する前記制御コマンドを求めるコラムコントローラーと、
前記操舵角の前記値に基づいて前記ラックモーターに対する前記制御コマンドを求めるラックコントローラーと、
を備える、請求項１３に記載のステアバイワイヤシステム。
【請求項１５】
前記ガバナーは、第１のフィルター及び第２のフィルターを含み、前記ガバナーは、前記車輪角度の前記目標値に前記第１のフィルターを適用して前記車輪角度の前記値を生成し、前記車輪角度の前記値をスケーリングして前記車輪角度のスケーリングされた値を生成し、前記車輪角度の前記スケーリングされた値に対して前記第２のフィルターを適用して前記操舵角の前記値を生成する、請求項１４に記載のステアバイワイヤシステム。
【請求項１６】
前記ガバナーは多変量非線形フィルターを含み、前記ガバナーは、制御の各時間ステップにおいて前記操舵角及び前記車輪角度の前記値を同時に求める、請求項１４に記載のステアバイワイヤシステム。
【請求項１７】
前記ＥＣＵは、不変集合から、前記不変集合から前記目標値に最も近い値を選択する制約付き二次計画を解くことにより、前記操舵角及び前記車輪角度の前記値を求める、請求項１３に記載のステアバイワイヤシステム。
【請求項１８】
ステアリングホイールが車輪から機械的に切り離されており、それにより前記ステアリングホイールの操舵角が、ラックモーターによって制御される前記車輪の車輪角度とは無関係にコラムモーターによって制御されるステアバイワイヤシステムを備えた車両の半自動運転の方法であって、
前記ステアリングホイールの状態とずれている車輪角度の目標値を求めることと、
前記車輪角度の前記目標値に基づいて、制約を条件として前記操舵角の値及び前記車輪角度の値を連帯して求めることと、
前記車輪角度の前記値に従ってラックモーターを、かつ前記操舵角の前記値に従ってコラムモーターを同時に制御することと、
を含む方法。
【請求項１９】
前記制約は、前記車輪の動きに対する制約と、ステアリングホイールの動きに対する制約と、前記ステアリングホイール及び前記車輪の作動に対する制約と、前記車輪の動きに対する前記ステアリングホイールの相対的な動きに対する制約とを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記求めることは、
前記車輪角度の前記目標値に非線形フィルターを反復的に適用して、各反復において前記制約が満足されるように、前記操舵角及び前記車輪角度の前記値を求めること、
を含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、車両の半自動運転に関し、より詳細には、半自動運転中にステアリングホイールが車輪から機械的に切り離されるステアバイワイヤシステムの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用の従来のステアリングシステムでは、ステアリングホイールは、ステアリングコラム及びステアリングラックを介して１つ又は複数の車輪に接続されている。運転者がステアリングコラムに回転運動を与えると、その運動はステアリングコラムを介してピニオンに伝達される。ピニオンは、回転運動をステアリングラックの並進運動に変換し、それにより車輪が移動する。このように、ステアリングホイール、ステアリングラック及び車輪は機械的に結合されており、それにより、ステアリングホイールの回転、例えば角度、操舵角の変化の速度及び回転の加速度により車輪の回転が一意に決まり、またその逆もある。
【０００３】
アクティブステアリングシステムでは、ハーモニックモーターを含む可変ギア比等の追加のアクチュエーターが、追加の自由度を提供し、それにより、車輪の回転はステアリングホイールの回転によって直接決まらない。したがって、アクティブステアリングシステムでは、電気機械式アクチュエーターは、ステアリングホイールの回転に関らず車輪の状態を変更することができるが、ステアリングホイールの回転は依然として運転者によって制御される。
【０００４】
ステアバイワイヤシステム（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）では、ステアリングコラムとステアリングラックとの間に機械的連結機構はない。ステアリングホイール及び車輪は、２つのアクチュエーターに結合されている。ステアリングコラムに配置されている１つのアクチュエーターは、ステアリングホイールの回転を制御し、ステアリングラックに配置されている別のアクチュエーターは、車輪の回転を制御する。したがって、ステアリングホイール及び車輪の状態の独立した制御が可能である。２つのアクチュエーターは、ステアリングホイール及び車輪に、場合によってはステアリングホイール及び車輪を制御するための中間位置に配置されたトルクセンサー、角度センサー及び角速度センサーを用いる電子制御ユニットによって制御される。
【０００５】
幾つかの方法が、運転者が車両を制御しているときのステアバイワイヤシステムの制御について述べている。特に、それらの方法は、ステアリングホイールの操舵角が運転者によって決められ、適切な車輪角度のみが、可能性としてステアリングホイールに対するフィードバックトルクと共に決められることを述べている。例えば、特許文献３、特許文献４、特許文献５は、ステアリングホイールに対して適切なフィードバックトルクを生成する方法を記載しており、特許文献６及び特許文献７は、ステアリングホイールを介してステアリングラックの位置及び速度を制御する方法を記載している。同様に、特許文献８では、運転者が制御するステアリングホイールの位置に基づいてラック位置を制御する方法が記載されている。その方法はまた、運転者に触覚フィードバックを与えるためにステアリングホイールに対するフィードバックトルクも求める。
【０００６】
車両の半自動運転中、半自動運転計画（ＳＡＤＰ：ｓｅｍｉ−ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ  ｄｒｉｖｉｎｇ  ｐｌａｎｎｉｎｇ）システムが、運転者が依然として車両を操作している間に運転者を支援することができる。例えば、車両の半自動運転を、衝突回避、安定性回復、車線維持のために使用することができ、例えば、特許文献９及び特許文献１０を参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１−０１３２６８２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１−０２７６２３１号明細書
【特許文献３】米国特許第６３６３３０５号明細書
【特許文献４】米国特許第７９０８０５６号明細書
【特許文献５】米国特許第７２３４５６３号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００９−００４８７３６号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００３−００１９６８５号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００３−００５５５４６号明細書
【特許文献９】米国特許第８１９０３３０号明細書
【特許文献１０】米国特許第８４４２７１３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
半自動運転が、ステアバイワイヤシステムを備えた車両において使用される場合、ステアバイワイヤシステムにおける車輪の角度は、ステアリングホイールの操舵角とは独立して制御されるため、ＳＡＤＰは、車輪の角度の目標値しか求めない。しかしながら、ステアリングホイールは、運転者の制御下にあり続け、その結果、ステアリングホイールと車輪の制御が連係しなくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ステアバイワイヤシステムを備えた車両では、ステアリングホイールは車輪から機械的に切り離されており、それにより、ステアリングホイールの操舵角は、ラックモーターによって制御される車輪の車輪角度とは独立してコラムモーターによって制御される。こうした車両の半自動運転中、運転者は、依然としてステアリングホイールを制御し、車両の安全な動作が提供されるように、運転者とステアリングホイールとの間の適切な相互作用が望まれる。特に、半自動運転計画（ＳＡＤＰ）システムによって求められる、車輪角度の目標値を、車輪及びステアリングホイールの両方を適切に作動させるように用いなければならない。
【００１０】
車両の半自動運転モードでは、車両の運転のしやすさを維持しながら、車輪角度は、ＳＡＤＰシステムから受け取られる目標値を可能な限り近接して追跡することが望まれる。さらに、ステアリングホイール及び車輪の作動は、アクチュエーターの適切な動作、不安定性及び過度な横加速度又はジャークの回避等の車両の適切な動的挙動、並びにステアリングホイールの許容可能なフィードバックトルク及び動き等の運転者との適切な機械的相互作用を確保するように、制約される必要がある。
【００１１】
本発明の幾つかの実施の形態は、半自動運転中に車両を制御するために生成される制御コマンドが、操舵角及び車輪角度が連帯的に、ただし必ずしも同じ速度ではなく、車輪角度の目標値を追跡することを確実にする必要があるという理解に基づく。例えば、車輪角度は、可能な限り迅速に目標値と位置合せされる必要があるが、操舵角の位置合せは、ステアリングホイールの動きを運転者に許容可能な速度に制限するように遅らせることができる。
【００１２】
さらに、車輪の動きに対するステアリングホイールの相対的な動きもまた、車両の運転のしやすさを確保するように制約される必要がある。例えば、１つの実施の形態では、運転者が制御不能及び運転のしやすさの喪失を感じる前のステアリングホイールと車輪との間の角度差及び／又は角速度差の程度を定義する運転しやすさの考慮事項に基づいて、ステアリングホイール及び車輪の相対的な動きに対する制約を求める。運転しやすさの考慮事項は、車両のタイプ及び／又は車両の移動の条件によって決まる可能性があり、相対的な動きに対する制約は、車輪角度と目標値との位置合せの迅速性を制限する可能性がある。
【発明の効果】
【００１３】
したがって、本発明の幾つかの実施の形態では、車輪の動きに対する制約と、ステアリングホイールの動きに対する制約と、ステアリングホイール及び車輪の作動に対する制約と、車輪の動きに対するステアリングホイールの相対的な動きに対する制約とを含む制約を条件として、車輪角度の目標値を追跡して、操舵角及び車輪角度の値を求める。実施の形態では、操舵角及び車輪角度の値に従ってコラムモーター及びラックモーターに対する制御コマンドを生成して、車両の半自動運転モード中における操舵角及び車輪角度の連係した制御を達成する。
【００１４】
例えば、一つの実施の形態は、ステアリングホイールが車輪から機械的に切り離されており、それによりステアリングホイールの操舵角が、ラックモーターによって制御される車輪の車輪角度とは無関係にコラムモーターによって制御されるステアバイワイヤシステムを備えた車両の半自動運転の方法を開示する。該方法は、半自動運転計画（ＳＡＤＰ）システムから前記車輪角度の目標値を受け取ることと、前記車輪の動きに対する制約と、ステアリングホイールの動きに対する制約と、前記ステアリングホイール及び前記車輪の作動に対する制約と、前記車輪の動きに対する前記ステアリングホイールの相対的な動きに対する制約とを含む制約を条件として、前記車輪角度の前記目標値を追跡して、前記操舵角及び前記車輪角度の値を求めることと、前記操舵角及び前記車輪角度の前記値に従って、前記コラムモーター及び前記ラックモーターに対する制御コマンドを生成することと、を含む。該方法のステップはプロセッサによって実行される。
【００１５】
別の実施の形態は、車両の動作を制御するステアバイワイヤシステムであって、ラックモーターの動きを介して車輪の車輪角度を制御するステアリングラックサブシステムと、コラムモーターの動きを介してステアリングホイールの操舵角を制御するステアリングコラムサブシステムであって、該ステアリングホイールは前記車輪から機械的に切り離されており、それにより、該ステアリングホイールの前記操舵角は、前記ラックモーターによって制御される前記車輪の前記車輪角度とは無関係に前記コラムモーターによって制御される、ステアリングコラムサブシステムと、制御システムであって、前記車輪角度の目標値を求める半自動運転計画（ＳＡＤＰ）システムと、前記車輪角度の前記目標値を追跡して、前記車輪の動きに対する制約と、ステアリングホイールの動きに対する制約と、前記ステアリングホイール及び前記車輪の作動に対する制約と、前記車輪の動きに対する前記ステアリングホイールの相対的な動きに対する制約とを含む制約を条件として、前記車輪角度の前記目標値を追跡して、前記操舵角及び前記車輪角度の値を求め、前記操舵角及び前記車輪角度の前記値に従って、前記コラムモーター及び前記ラックモーターに対する制御コマンドを生成する電子制御ユニット（ＥＣＵ：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｎｉｔ）と、を備える制御システムと、を備えるステアバイワイヤシステムを開示する。
【００１６】
更に別の実施の形態は、ステアリングホイールが車輪から機械的に切り離されており、ステアリングホイールの操舵角が、ラックモーターによって制御される車輪の車輪角度とは無関係にコラムモーターによって制御されるステアバイワイヤシステムを備えた車両の運転の方法であって、ステアリングホイールの状態とずれている車輪角度の目標値を求めることと、車輪角度の目標値に基づいて、車輪の動きに対する制約と、ステアリングホイールの動きに対する制約と、ステアリングホイール及び車輪の作動に対する制約と、車輪の動きに対するステアリングホイールの相対的な動きに対する制約とを含む制約を条件として、操舵角の値と車輪角度の値とを連帯して求めることと、車輪角度の値に従ってラックモーターを、かつ操舵角の値に従ってコラムモーターを同時に制御することと、を含む方法を開示する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】本発明の幾つかの実施形態による半自動運転モードにある車両の動作を制御するステアバイワイヤシステムのブロック図である。
【図１Ｂ】図１Ａのステアバイワイヤを備えた車両の半自動運転の方法のフローチャートである。
【図２Ａ】本発明の幾つかの実施形態による車両の半自動運転モード中におけるステアリングホイール及び車輪の状態に対する様々な制約のうちの１つの概略図である。
【図２Ｂ】本発明の幾つかの実施形態による車両の半自動運転モード中におけるステアリングホイール及び車輪の状態に対する様々な制約のうちの１つの概略図である。
【図２Ｃ】本発明の幾つかの実施形態による車両の半自動運転モード中におけるステアリングホイール及び車輪の状態に対する様々な制約のうちの１つの概略図である。
【図２Ｄ】ステアリングホイール及び車輪の作動に対する様々な制約のうちの１つの概略図である。
【図２Ｅ】ステアリングホイール及び車輪の作動に対する様々な制約のうちの１つの概略図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による電子制御ユニット（ＥＣＵ）のブロック図である。
【図３Ｂ】本発明の様々な実施形態の効果を示す概略図である。
【図４】本発明の幾つかの実施形態による、制約を受けるステアリングホイール及び車輪の連係した制御の方法のフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態による、非線形フィルタリングを実施する方法のフローチャートである。
【図６】本発明の別の実施形態による、非線形フィルタリングを実施する方法のフローチャートである。
【図７Ａ】一実施形態による、実行可能領域の制御不変部分集合を求める方法のブロック図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による、制御不変集合に基づいて操舵角及び車輪角度の値を求める方法のブロック図である。
【図８】本発明の一実施形態による、操舵角及び車輪角度を制御するために第１の非線形フィルター及び第２の非線形フィルターを使用する方法のフローチャートである。
【図９】本発明の別の実施形態による、操舵角及び車輪角度を制御するために多変量非線形フィルターを使用する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ステアバイワイヤシステムを備えた車両の半自動運転中、運転者がステアリングホイールの動きを制御することによって車両を操作している間、半自動運転計画（ＳＡＤＰ）システムによって、車輪角度の目標値が提供される。通常、半自動運転モードは、運転者が開始するものではなく、迅速な補正動作が必要な何らかの危険であるか又は異常である可能性がある状態のために発生する。
【００１９】
本発明の幾つかの実施形態は、半自動モードにある車両の開始及び動作中、車両の移動、例えばＳＡＤＰシステムから受け取られる目標値に対応する車輪角度と、車両のステアリングホイールを握り、場合によっては作動させている運転者との間の許容可能な相互作用を達成するために、幾つかの動作及び制約が強制される必要があるという理解に基づく。
【００２０】
図１Ａは、本発明の幾つかの実施形態による半自動運転モードにある車両の動作を制御するのに適したステアバイワイヤシステム１００のブロック図を示す。図１Ｂは、ステアバイワイヤ１００を備えた車両の半自動運転の方法のフローチャートを示す。
【００２１】
ステアバイワイヤシステム１００は、ステアリングラックサブシステム１５１、ステアリングコラムサブシステム１５２及び制御システム１５３を含む。ステアリングコラムサブシステム１５２はステアリングコラム１０１を含み、ステアリングコラム１０１は、コラムモーター１０２によって駆動され、かつステアリングホイール１０３に接続され、それにより、コラムモーターの動きがステアリングホイールの操舵角を制御する。ステアリングラックサブシステム１５１はステアリングラック１１１を含み、ステアリングラック１１１は、ラックモーター１１２によって駆動されかつ、車輪１１３に接続され、それにより、ラックモーターの動きが車輪の車輪角度を制御する。
【００２２】
ステアバイワイヤシステム１００では、ステアリングホイール１０３は車輪１１３から機械的に切り離されており、それにより、ステアリングホイールの操舵角は、ラックモーターによって制御される車輪の車輪角度とは無関係に、コラムモーターによって制御される。コラムモーター及びラックモーターは、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１２０からコマンド１１４、１０４を受け取る。ＥＣＵは、本明細書に記載する動作を実行するプロセッサ１２３を含むことができる。
【００２３】
ＥＣＵは、半自動モードが有効になると、半自動運転計画（ＳＡＤＰ）システム１２１から、車輪角度の目標値１２２を受け取る（１４１）。ＥＣＵはまた、ステアリングホイールの現状を表す信号１０５と車輪の現状を表す信号１１５とを受け取る。ＥＣＵは、車輪角度の目標値を追跡して操舵角及び車輪角度の値を求め（１４３）、操舵角及び車輪角度の値に従って、コラムモーターに対する制御コマンド１０４とラックモーターに対する制御コマンド１１４とを生成する（１４５）。
【００２４】
ＥＣＵは、ステアリングホイール１０３の状態及び車輪１１３の状態に対する制約１２５を条件として、操舵角及び車輪角度の値を連帯して求める。制約１２５は、車輪の動きに対する制約と、ステアリングホイールの動きに対する制約と、ステアリングホイール及び車輪の作動に対する制約と、車輪の動きに対するステアリングホイールの相対的な動きに対する制約とを含むことができる。
【００２５】
本発明の幾つかの実施形態は、半自動運転中に車両を制御するために生成される制御コマンドが、操舵角及び車輪角度が車輪角度の目標値を連帯して、ただし必ずしも同じ速度ではなく、追跡することを確実にする必要があるという理解に基づく。例えば、車輪角度は、可能な限り迅速に目標値と位置合せされる必要があるが、操舵角の位置合せは、ステアリングホイールの動きを運転者に対して許容可能な速度に制限するように遅らせることができる。
【００２６】
さらに、車輪の動きに対するステアリングホイールの相対的な動きもまた、車両の運転のしやすさを確保するように制約される必要がある。例えば、一実施形態では、運転者が車両の制御不能及び運転のしやすさの喪失を感じる前のステアリングホイールと車輪との間の角度差及び／又は角速度差の程度を定義する運転のしやすさの考慮事項に基づいて、ステアリングホイール及び車輪の相対的な動きに対する制約を確定する。運転のしやすさの考慮事項は、車両のタイプ及び／又は車両の移動の条件によって決まる可能性があり、相対的な動きに対する制約は、車輪角度と目標値との位置合せの迅速性を制限する可能性がある。
【００２７】
図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃは、本発明の幾つかの実施形態による車両の半自動運転モード中におけるステアリングホイール及び車輪の状態に対する様々な制約の概略図を示す。また、図２Ｄ及び２Ｅは、ステアリングホイール及び車輪の作動に対する様々な制約の概略図を示す。
【００２８】
例えば、図２Ａは、車輪の動きに対する制約をプロットしたグラフを示し、車輪角度２０１が、ＳＡＤＰシステムから受け取られた車輪角度の目標値２０２を迅速に追跡し、それにより、車輪の動きが許容可能な領域２０３にあり、車両の移動に対する安全な影響が確保されることが必要であることを明示している。
【００２９】
図２Ｂは、ステアリングホイールの動きに対する制約をプロットしたグラフを示し、操舵角２１１が最終的に車輪角度２１２と整列し、それにより、ステアリングホイールの動きが許容可能な領域２１３にあり、ステアリングホイールを握っている運転者に対する安全な影響が確保されることが必要であることを明示している。
【００３０】
図２Ｃは、車輪の動きに対するステアリングホイールの相対的な動き２３１に対する制約をプロットしたグラフを示し、相対的な動き２３１が許容可能な領域２３２にあって、車輪角度と操舵角との間のずれが、運転者を混乱させないように十分小さいことを確実にする必要があることを明示している。
【００３１】
図２Ｄ及び図２Ｅは、車輪２２１に対する作動２２１がアクチュエーターの正確な動作の領域２２３内にあり続け、ステアリングホイール２２２に対する作動が対応する領域２２４内にあり続けるように、アクチュエーターが作動される制約をプロットしたグラフを示す。
【００３２】
図３Ａは、本発明の一実施形態によるＥＣＵ１２０の目的を実施するＥＣＵ３００のブロック図を示す。ＥＣＵ３００は、ステアリングコラムサブシステムの現状１０５とステアリングラックサブシステムの現状１１５とに基づいて、ＳＡＤＰシステムから受け取られた車輪角度１２２の目標値を非線形フィルタリングするガバナー３０２を含む。
【００３３】
ガバナーは、操舵角３０３の値及び車輪角度３１３の値を求め、操舵角及び車輪角度の値を、それぞれコラムコントローラー３０４及びラックコントローラー３１４に送出する。コラムコントローラー及びラックコントローラーは、操舵角及び車輪角度の値に従ってコラムモーター及びラックモーターに対する制御コマンドを生成する。具体的には、コラムコントローラー３０４は、ステアリングホイール１０３の状態を制御し変更するようにコラムモーター１０１に対する制御コマンド１０４を生成し、ラックコントローラー３１４は、車輪１１３の状態を制御し変更するようにラックモーター１１１に対する制御コマンド１１４を生成する。様々な実施形態では、ガバナーは、ステアリングホイール及び車輪の状態の変更が、図２Ａ〜図２Ｃ及び図２Ｄ〜図２Ｅに示す原理に従って図１に示す制約１２５を満足させるように、操舵角及び車輪角度の値を求める。
【００３４】
幾つかの実施形態では、ガバナーは、反復的に、例えば制御の各時間ステップにおいて、非線形フィルターを適用する。同様に、制御の各ステップにおいてコラムモーターに対する制御コマンド及びラックモーターに対する制御コマンドが同時に生成される。特に、幾つかの実施形態では、車輪角度の目標値は、車両の移動の状態と車両の移動の目的とに基づいて求められ、操舵角及び車輪角度の現在値とずれている。例えば、車輪角度の目標値を、ステアリングホイールの現角度とは無関係に求めることができるが、本発明の様々な実施形態のＥＣＵは、操舵角及び車輪角度がともにその目標値を追跡することを確実にする。
【００３５】
図３Ｂは、本発明の様々な実施形態の効果を示すステアバイワイヤシステムの概略図を示す。矢印３３３は、車輪１１３の車輪角度を表し、矢印３４３は、ステアリングホイール１０３の操舵角を表す。制御の各時間ステップにおいて、操舵角及び車輪角度は、車輪角度の目標値を追跡する（３５０）が、必ずしも同じ速度では追跡しない。
【００３６】
ステアリングシステムの数学的モデル
本発明の幾つかの実施形態では、車輪コントローラー及びステアリングホイールコントローラーの設計は、それぞれステアリングラックサブシステム及びステアリングコラムサブシステムに対する線形モデルに基づく。
【００３７】
例えば、ステアリングラックサブシステムを、車輪システムによって以下のようにモデル化することができ、
【数１】
2015174653.tif 000003
式中、φｒ［ｒａｄ／ｓ］は、車輪角速度であり、δｒ［ｒａｄ」は、車輪角度であり、Ｔｍｏｔ，ｒ［Ｎｍ］は、ステアリングラックモーターによって生成されるトルクであり、Ｊｒ［ｋｇ  ｍ２］は、ステアリングラック及びステアリングホイールの慣性モーメントであり、βｒ［Ｎｍ  ｓ／ｒａｄ］は、ステアリングラックサブシステムの摩擦係数であり、Ｔａｌｎ［Ｎｍ］は、車輪に対する地面の反力であるアライメントトルクである。
【００３８】
ステアリングコラムサブシステムを、ステアリングホイールシステムによって以下のようにモデル化することができ、
【数２】
2015174653.tif 000004
式中、φｗ［ｒａｄ／ｓ］は、ステアリングホイール角速度であり、δｗ［ｒａｄ」は、ステアリングホイール角度であり、Ｔｍｏｔ，ｒ［Ｎｍ］は、ステアリングコラムモーターによって生成されるトルクであり、Ｊｗ［ｋｇ  ｍ２］は、ステアリングホイール及びステアリングコラムの慣性モーメントであり、βｗ［Ｎｍ  ｓ／ｒａｄ］は、ステアリングコラムサブシステムの摩擦係数であり、Ｔｄｒｖ［Ｎｍ］は、運転者が生成するトルクである。
【００３９】
ステアリングラックモーターに対して、アライメントトルクがキャンセルされ、以下のように車輪を操舵するトルクが与えられるように、命令することができ、
【数３】
2015174653.tif 000005
式中、Ｔｒは正味ラックステアリングトルクである。
【００４０】
ステアリングコラムモーターに対して、運転者トルクがキャンセルされ、以下のようにステアリングホイールを操舵するトルクが与えられるように、命令することができ、
【数４】
2015174653.tif 000006
式中、Ｔｗは正味コラムステアリングトルクである。
【００４１】
ステアリングホイール及び車輪の角度のフィードバックコントローラーの設計
幾つかの実施形態では、コラムコントローラー及びラックコントローラーは、閉ループシステムが漸近安定であり、車輪及びステアリングホイールの状態をそれぞれ変更する、車輪及びステアリングホイールに対する制御コマンドから、単一のＤＣゲインを有するように設計されている。
【００４２】
本発明の一実施形態では、コントローラーは、車輪システム及びステアリングホイールシステムの離散時間線形システムモデルに基づいて設計されている。一定のサンプリング期間Ｔｓで式（１）及び（３）をサンプリングすることにより、車輪システムを、以下のように線形システムとして定式化することができ、
【数５】
2015174653.tif 000007
式中、ｋは、サンプリング時点であり、ｘｒ＝（δｒ，φｒ）’∈Ｒ２は、車輪システム状態ベクトルであり、ｕｒ＝Ｔｓｔｅｅｒ∈Ｒは、車輪システム制御入力であり、ｙｒ＝δｒ∈Ｒは、車輪システム出力である。式（３）、（４）に同じ手続きを適用することにより、ステアリングホイールシステムを以下のように定式化することができ、
【数６】
2015174653.tif 000008
式中、ｋは、サンプリング時点であり、ｘｗ＝（δｗ，φｗ）’∈Ｒ２は、ステアリングホイールシステム状態ベクトルであり、ｕｗ＝Ｔｗ∈Ｒは、ステアリングホイールシステム制御入力であり、ｙｗ＝δｗ∈Ｒは、ステアリングホイールシステム出力である。
【００４３】
（５）及び（６）から、２つのコントローラーを、以下のように、状態フィードバックに所望の角度フィードフォワードを足した形態で、車輪及びステアリングホイールに対する制御コマンドを生成するように設計することができ、
【数７】
2015174653.tif 000009
【数８】
2015174653.tif 000010
式中、ｖｒ、ｖｗは、それぞれ車輪及びステアリングホイールに対するフィードフォワードコマンドであり、行列Ｋｒ及びＫｗは、（Ａｒ＋ＢｒＫｒ）、（Ａｗ＋ＢｗＫｗ）が単位円内に全ての固有値を有する、すなわち制御されたシステムが漸近安定であるように設計されている。係数Ｈｒ、Ｈｗは、制御されたシステムが単一のＤＣゲインを有し、例えばＤＣゲインが１に等しいように設計されている。ＤＣゲインが１に等しいことにより、ｖｒ、ｖｗは、それぞれ車輪及びステアリングホイールに対する命令された角度として解釈される。
【００４４】
本発明の異なる実施形態は、極配置、ＬＱＲ、Ｈ無限大設計等、複数の技法を用いて、こうしたコントローラーを設計する。また、閉ループシステムが単一ＤＣゲインを有する漸近安定であるシステムであるように得られる限り、ＰＩコントローラー、ダイナミックコントローラー等、代替コントローラーを設計することができる。
【００４５】
ステアリングホイール及び車輪の状態に対する制約
ステアリングホイール及び車輪の連係した制御を確保するステアバイワイヤシステムの適切な動作のために、幾つかの制約を強制する必要があることが理解される。例えば、制約は、車輪の動きに対する制約と、ステアリングホイールの動きに対する制約と、ステアリングホイール及び車輪の作動に対する制約と、車輪の動きに対するステアリングホイールの相対的な動きに対する制約とを含むことができる。
【００４６】
車輪の動きに対する制約は、車輪角度に対する制約と、車輪角度の変化の速度に対する制約と、車輪角度の角加速度に対する制約とのうちの１つ又は組合せを含むことができる。例えば、車輪の動きに対する制約は、以下のように、ステアリングシステムに対する物理的制限と車輪の安定性を喪失することなく所与の車両速度に対して達成することができる最大横加速度とにより、車輪角度に対するそれぞれ下限及び上限を含むことができ、
【数９】
2015174653.tif 000011
式中、δｒ，ｍｉｎ、δｒ，ｍａｘは、車輪角度に対する（それぞれ）上記下限及び上限の値である。
【００４７】
車輪の動きに対する制約は、以下のように、車両に対して許容可能な最大横加速度、ジャーク及びロールモーメントにより、車輪の角速度に対する上限及び下限を含むことができ、
【数１０】
2015174653.tif 000012
式中、φｒ，ｍｉｎ、φｒ，ｍａｘは、車輪の角速度に対する（それぞれ）上記下限及び上限の値である。
【００４８】
車輪の動きに対する制約は、以下のように、車両に対して許容可能な最大横加速度、ジャーク及びロールモーメントにより、車輪の角加速度に対する上限及び下限を含むことができ、
【数１１】
2015174653.tif 000013
式中、
【数１２】
2015174653.tif 000014
は、車輪の角加速度に対する（それぞれ）上記下限及び上限の値である。
【００４９】
車輪の角加速度に対する上限及び下限もまた、車両に対して許容可能なロールモーメントおよび横ジャークの最大変動によることができる。
【００５０】
さらに、ステアリングホイールの動きに対する制約は、ステアリングホイールの動きがステアリングホイールを握っている運転者に対して許容可能であることを確実にする。ステアリングホイールの動きを制約しないことにより、車両の制御不能の感覚がもたらされる可能性がある。幾つかの実施形態では、ステアリングホイールの動きに対する制約は、操舵角に対する制約と、操舵角の変化の速度に対する制約と、ステアリングホイールの角加速度に対する制約とのうちの１つ又は組合せを含む。
【００５１】
例えば、ステアリングホイールの動きに対する制約は、以下のように、運転者のステアリングホイールを回す際の限界により、ステアリングホイール角度に対する制約を含むことができ、
【数１３】
2015174653.tif 000015
式中、δｗ，ｍｉｎ、δｗ，ｍａｘは、ステアリングホイール角度に対する（それぞれ）上記下限及び上限の値である。
【００５２】
ステアリングホイールの動きに対する制約は、以下のように、運転者のステアリングホイールの動きに追従する能力により、ステアリングホイールの角速度に対する上限及び下限を含むことができ、
【数１４】
2015174653.tif 000016
式中、φｗ，ｍｉｎ、φｗ，ｍａｘは、ステアリングホイールの角加速度に対する（それぞれ）上記下限及び上限の値である。
【００５３】
ステアリングホイールの動きに対する制約は、以下のように、運転者のステアリングホイールの動きに追従する能力により、ステアリングホイールの角加速度に対する上限及び下限を含むことができ、
【数１５】
2015174653.tif 000017
式中、
【数１６】
2015174653.tif 000018
は、ステアリングホイールの角速度に対する（それぞれ）上記下限及び上限の値である。
【００５４】
車輪角度及びステアリングホイール角度に対するアクチュエーターは、構成要素を、アクチュエーターの正確な動作に適合するように作動させる必要がある。アライメントモーメントトルクの最大値と、運転者が通常の運転状態で及ぼすトルクの最大量を考慮すると、これによって、以下のように正味ラックステアリングトルクに対する制約がもたらされ
【数１７】
2015174653.tif 000019
式中、Ｔｒ，ｍｉｎ、Ｔｒ，ｍａｘは、正味ラックステアリングトルクに対する（それぞれ）上記下限及び上限の値であり、
【数１８】
2015174653.tif 000020
式中、Ｔｗ，ｍｉｎ、Ｔｗ，ｍａｘは、正味コラムステアリングトルクに対する（それぞれ）上記下限及び上限の値である。
【００５５】
さらに、車輪の動きに対するステアリングホイールの相対的な動きもまた、車両の運転のしやすさを確保するために制約である必要がある。例えば、一実施形態は、運転者が車両の制御不能及び運転のしやすさの喪失を感じる前のステアリングホイールと車輪との間の角度差及び／又は角速度差の程度を定義する運手のしやすさの考慮事項に基づいて、ステアリングホイール及び車輪の相対的な動きに対する制約を求める。
【００５６】
本発明の幾つかの実施形態では、車輪の動きに対するステアリングホイールの相対的な動きに対する制約は、車輪角度とスケーリングされた操舵角との差に対する制約と、車輪角度の変化の速度と操舵角の変化のスケーリングされた速度との差に対する制約と、車輪角度の角加速度と操舵角のスケーリングされた角加速度との差に対する制約とのうちの１つ又は組合せを含む。
【００５７】
例えば、最大の角度のずれに対する制約は、以下の式に従って、車輪角度に名目ステアリングギア比ｇを掛けた値とステアリングホイール角度との差に対する制約を含むことができ、
【数１９】
2015174653.tif 000021
式中、Ｃ１は、運転者が許容する最大の角度のずれを定義する定数であり、種々の運転者特性及び運転条件に対して種々の方法で校正することができる。例えば、熟練した運転者は、車両に自身のコマンドに応答するように望み、必要なＣ１の値は小さく、未熟な運転者は、車輪の制御においてシステムに対してより自由を与えて、より大きいＣ１の値を望む。
【００５８】
他の幾つかの実施形態では、最大の角度のずれに対する制約は、以下の式に従って、車輪の状態を変更するために求められた車輪角度に名目ステアリングギア比ｇを掛けた値とステアリングホイールの状態を変更するために求められた操舵角との差に対する制約を含むことができ、
【数２０】
2015174653.tif 000022
式中、Ｃ２は、運転者が許容する最大の角度のずれのコマンドを定義する定数であり、Ｃ１と同様に、種々の運転者特性及び運転条件に対して種々の方法で校正することができる。
【００５９】
本発明の幾つかの実施形態では、角速度の最大差に対する制約は、以下の式に従って、車輪の角速度に名目ステアリングギア比ｇを掛けた値とステアリングホイールの角速度との差に対する制約を含むことができ、
【数２１】
2015174653.tif 000023
式中、Ｃ３は、運転者が許容するステアリングホイール角速度と車輪角速度との最大差を定義する定数であり、定数Ｃ１の校正と同様に、種々の運転者特性及び運転条件に対して種々の方法で校正することができる。
【００６０】
本発明の幾つかの実施形態では、角速度の最大差に対する制約は、以下の式に従って、車輪及びステアリングホイールの角速度の差に対する制約を含むことができ、車輪角速度は、その最大値に対して正規化され、ステアリングホイール角速度は、その最大値に対して正規化され、
【数２２】
2015174653.tif 000024
式中、Ｃ４は、運転者が許容する正規化されたステアリングホイール角速度と車輪角速度との最大差を定義する定数であり、定数Ｃ１の校正と同様に、種々の運転者特性及び運転条件に対して種々の方法で校正することができる。
【００６１】
本発明の幾つかの実施形態では、角加速度の最大差に対する制約は、以下の式に従って、車輪の角加速度とステアリングホイールの角加速度に名目ステアリングギア比ｇを掛けた値との差に対する制約を含むことができ、
【数２３】
2015174653.tif 000025
式中、Ｃ５は、運転者が許容する正規化されたステアリングホイール角加速度と車輪角加速度との最大差を定義する定数であり、定数Ｃ１の校正と同様に、種々の運転者特性及び運転条件に対して種々の方法で校正することができる。
【００６２】
本発明の幾つかの実施形態では、角加速度の最大差に対する制約は、以下の式に従って、車輪及びステアリングホイールの角加速度の差に対する制約を含むことができ、車輪角加速度は、その最大値に対して正規化され、ステアリングホイール角加速度は、その最大値に対して正規化され、
【数２４】
2015174653.tif 000026
式中、Ｃ６は、運転者が許容する正規化されたステアリングホイール角加速度と車輪角加速度との最大差を定義する定数であり、定数Ｃ１の校正と同様に、種々の運転者特性及び運転条件に対して種々の方法で校正することができる。
【００６３】
本発明の幾つかの実施形態では、制約に対して追加的又は代替的に、ステアリングホイールと操舵角との位置合せを、ステアリングシステムに対して制御コマンドを生成する際に使用されるコスト関数として定義することができる。
【００６４】
例えば、幾つかの実施形態は、制約を条件として、車輪角度と車輪角度の目標値との間の第１の関係と、操舵角と車輪角度との間の第２の関係とを指定するコスト関数を最適化する。例えば、第１の関係は、車輪角度と車輪角度の目標値との差の平方を含むことができ、第２の関係は、スケーリングされた車輪角度と操舵角との間の差の平方を含むことができる。
【００６５】
例えば、操舵角と車輪角度との間のずれを、以下のコスト関数として表わすことができ、
【数２５】
2015174653.tif 000027
これは、ステアリング角度と車輪角度に名目ステアリングギア比ｇを掛けた値との差の平方２−ノルムである。１−ノルム、無限大ノルム等、他の等価なコスト関数も使用することができる。さらに、コスト関数を介する制約の表現を、式（２６）〜（３１）において他の任意の制約に適用して、同様のコスト関数、例えば（１７）に対するＪｖ、（１８）に対するＪφを得ることができる。
【００６６】
一実施形態は、こうしたコスト関数を結合して以下のようなコンポジットコスト関数にし、
【数２６】
2015174653.tif 000028
式中、ｑδ、ｑφは、非負重みであり、対応する目的が対象ではない場合はゼロに等しくなることができる。
【００６７】
制約を受けるステアリングホイール及び車輪の連係した制御
半自動運転モードを備えた車両制御システムでは、ＳＡＤＰシステムが、車輪角度の目標値、すなわち目標角度を提供することができる。ステアリング制御システムは、車輪角度及び操舵角が目標角度を追跡し、最終的に目標角度と整列するように、ステアリングアクチュエータを制御する。しかしながら、ＳＡＤＰシステムは、ステアリングシステムの状態を認識せず、そのため、ステアリングシステムに対する制約を強制することができない。したがって、本発明の幾つかの実施形態は、目標角度を反復的に変更して、各反復において制約を満足させながら車輪角度の目標値を漸近的に追跡して、操舵角及び車輪角度の値を求める。
【００６８】
図４は、本発明の幾つかの実施形態による、制約を受けるステアリングホイール及び車輪の連係した制御の方法のフローチャートを示す。方法は、車輪角度の目標値を受け取り（４０１）、車輪システム及びステアリングホイールシステムの状態を取得する（４０２）。方法は、車輪角度の目標値に非線形フィルターを適用して（４０３）、操舵角及び車輪角度の値を求める。
【００６９】
様々な実施形態では、方法は、各反復４１０において制約が満足されるように、非線形フィルターを反復的に適用して目標値を漸近的に追跡する。各反復４１０を、制御の１つの制御ステップに対して実施することができ、それにより、制御の各時間ステップに対して、方法は、操舵角及び車輪角度の値に従ってコラムモーター及びラックモーターのトルクを求め（４０４）、トルクを適用する制御コマンドを生成する（４０５）。このように、ステアリングホイール及び車輪の両方が、同時に、すなわち、制御の各時間ステップにおいて制御される。
【００７０】
図５は、本発明の一実施形態による、非線形フィルタリング４０３を実施する方法のフローチャートを示す。実施形態は、第１の非線形フィルターによって車輪の目標値を動的に変更し（５０１）、それにより、変更された目標値は、車輪コントローラーへの制御コマンドとして適用されるとき、車輪に対する制約が満足されることを保証する。そして、フィルタリングされた目標値は、ｇによってスケーリングされ（５０２）、ステアリングホイールシステムに対する基準が生成される。こうした基準は、ステアリングホイールシステムの制約を満足させることは保証されていない。したがって、ステアリングホイールに対する制御コマンドは、第２の非線形フィルターによって基準値を動的に変更する（５０３）ことによって生成され、それにより、フィルタリングされた基準値は、ステアリングホイールコントローラーに対する制御コマンドとして適用されるとき、ステアリングホイールに対する制約が満足されることを保証する。
【００７１】
図６は、本発明の別の実施形態による、非線形フィルタリング４０３を実施する方法のフローチャートを示す。その実施形態では、単一の多変量非線形フィルターを用いて、ＳＡＤＰシステムから受け取られた車輪の目標値から、ステアリングホイールの角度に対する制御コマンドと車輪の角度に対する制御コマンドとが同時に生成され（６０１）、それにより、ステアリングホイールに対する制約と、車輪に対する制約と、ステアリングホイール及び車輪の相対的な挙動に対する制約との満足が保証される。
【００７２】
制御不変集合
本発明の幾つかの実施形態は、不変集合理論からの概念を用いて車輪及びステアリングホイールの状態に対する制約の満足を確実にする。例えば、幾つかの実施形態は、操舵角、車輪角度、並びにステアリングホイール及び車輪の状態の実行可能な値の実行可能領域の正の不変部分集合に含まれるように、ステアリングホイール及び車輪の状態を変更するように、コラムコントローラー及びラックコントローラーに対して制御コマンドを生成する。
【００７３】
例えば、実行可能領域を、制約１２５を満足させる操舵角、車輪角度、並びにステアリングホイール及び車輪の状態の値によって、予め設定することができる。実行可能領域の制御不変部分集合もまた、制御の後続する時間ステップに対して制約の満足を確実にするように予め設定することができる。
【００７４】
図７Ａは、一実施形態による、実行可能領域の制御不変部分集合を求める方法のブロック図を示す。現集合が、実行可能状態の集合、すなわち制約を満足させる実行可能領域の状態として初期化される（７０１）。現集合から、後退（ｂａｃｋｗａｒｄ）可到達集合が計算され（７０２）、現集合内に、システムダイナミクスの１ステップの展開の後に現集合の中にある状態が求められる。７０３で、後退可到達集合が現集合を含むか又はそれに等しい場合、７０４において、現集合は最大制御不変集合である。そうでない場合、７０５において、後退可到達集合は現集合と交わり、方法の繰返し７０６において新たな現集合として使用される。
【００７５】
数学的に、制御不変集合を、以下のように定式化することができる。システム、すなわち
【数２７】
2015174653.tif 000029
式中、ｘはシステムの状態であり、ｆは、以下の制約を受けるシステムの更新関数であり、
【数２８】
2015174653.tif 000030
式中、ｇは制約関数であり、制御不変集合Ｏは、以下のような状態の集合であり、
【数２９】
2015174653.tif 000031
式中、ｋ及びｈは、制御の時間ステップの添え字である。
【００７６】
図７Ｂは、本発明の一実施形態による、制御不変集合に基づいて操舵角及び車輪角度の値を求める方法のブロック図を示す。車両の半自動運転中、車輪角度及び操舵角に対する制御コマンドが、制御コマンドに従ってステアリングホイール及び車輪を制御することによって得られるステアバイワイヤシステムの制御コマンド及び状態が完全に制御不変集合の中にあるように、生成される。例えば、一実施形態は、車輪角度の目標値を受け取る１４１と、制御不変集合から目標値に最も近い操舵角及び車輪角度の値を求める（７２０）。この実施形態は、制御の将来の時間ステップ全てに対する、車両の状態及び車両の構成要素に対する制約と、運転者インターフェースに対する制約と、ステアリングホイール及び車輪の相対的なずれに対する制約とを満足させて、目標値を追跡する最大速度を達成することができる。例えば、こうした計算を、制約付き二次計画を解くことによって実行することができる。
【００７７】
第１の非線形フィルター及び第２の非線形フィルターの設計
本発明の一実施形態では、２つの非線形フィルター５０１及び５０３が、コラムコントローラー及びラックコントローラーに対する制御コマンドを生成するように設計される。フィルターの組合せは、最初に、半自動運転計画システムのコマンドに対して車輪システムの状態を最適化し、その後、そうした最適化の結果に基づいて、ステアリングホイールシステムの状態を最適化する。
【００７８】
図８は、本発明の一実施形態による、操舵角及び車輪角度を制御するために第１の非線形フィルター及び第２の非線形フィルターを使用する方法のフローチャートを示す。車輪角度の目標値並びにラックサブシステム及びコラムサブシステムの状態を受け取った（８０１）後、第１のフィルターが、車輪角度の値を求め（８０２）、その車輪角度をラックコントローラー及び第２のフィルターに送出する。第２のフィルターは、第１のフィルターによって求められた車輪角度を用いて、操舵角の値を求め（８０４）、その操舵角をコラムコントローラーに送出する（８０５）。
【００７９】
第１のフィルターは、車輪システムの現状態に対して車輪システムに対する制約を満足させながら、ＳＡＤＰシステムから受け取られた目標値に迅速に反応するように設計されている。
【００８０】
幾つかの実施形態によれば、（９）、（１０）、（１１）、（１５ａ）からシステム（５）、（７）に対する実行可能空間は、
【数３０】
2015174653.tif 000032
であり、式中、Ｈｒ、Ｋｒは制約行列であり、ｘｒは制約ベクトルであり、それらは、式（９）、（１０）、（１１）、（１５ａ）から定義される。
【００８１】
式（５）、（７）によって求められるシステムは、以下のコマンドダイナミクス式で補われ、
【数３１】
2015174653.tif 000033
式中、ｖｒは車輪フィードフォワードコマンドである。
【００８２】
車輪システムの実行可能空間の部分集合は、例えば式（５）、（７）、（２５）において求められたシステムに適用される図７Ａのアルゴリズムと式（２４）の制約とを用いて、制御不変集合Ｏｒとして計算される。そして、図８に示すように、全ての制御サイクルにおいて、半自動運転計画システムから車輪角度の目標値が受け取られ、車輪システムの状態が読み出され、以下の最適化問題を解くことによってコマンドが生成される。
【数３２】
2015174653.tif 000034
【００８３】
実施形態は、最も近いコマンド値を見つけることによって信号ｒをフィルタリングし、それにより、現状から、こうした値を車輪コントローラーのコマンドとして将来常に適用することにより、システム制約のいずれも侵害されないようにする。
【００８４】
第２のフィルターは、ステアリングホイールシステムの状態と第１の非線形フィルターの出力とに基づいて、コラムコントローラーに対するコマンドを生成する。
【００８５】
（１２）、（１３）、（１４）、（１５ｂ）からシステム（６）、（８）に対する実行可能空間は、
【数３３】
2015174653.tif 000035
であり、式中、Ｈｗ、Ｋｗは制約行列であり、ｘｗは制約ベクトルであり、それらは、式（１２）、（１３）、（１４）、（１５ｂ）から定義される。
【００８６】
式（６）、（８）によって求められるシステムは、以下のコマンドダイナミクス式で補われ、
【数３４】
2015174653.tif 000036
式中、ｖｗは車輪フィードフォワードコマンドである。
【００８７】
車輪システムの実行可能空間の部分集合は、図７Ａのアルゴリズムを用いて、制御不変集合Ｏｗとして計算される。そして、全ての制御サイクルにおいて、第１のフィルターからのコマンドが受け取られ、車輪システムの状態が読み出され、以下の最適化問題を解くことによってフィルタリングされたコマンドが生成される。
【数３５】
2015174653.tif 000037
【００８８】
第２のフィルターは、ｇによってスケーリングされた第１のフィルターの出力に最も近い値を求めることにより、第１のフィルターの出力をフィルタリングし、それにより、現状から、こうした値をステアリングホイールコントローラーのコマンドとして将来常に適用することにより、システム制約のいずれも侵害されないようにする。
【００８９】
多変量非線形フィルターの設計
本発明の他の実施形態では、第１のフィルター及び第２のフィルターは、単一の多変量非線形フィルターに置き換えられる。こうしたフィルターを用いることにより、最初に車輪システムを最適化し、その結果に基づいてステアリングホイールシステムを最適化するのではなく、式（１６）〜（２１）における制約を強制し、半自動運転計画システムに応答してシステム全体の挙動を同時に最適化することが可能である。
【００９０】
可能性として式（１６）〜（２１）のうちの１つ又は組合せとともに式（１１）〜（１５ｂ）からの式（５）〜（８）のシステムに対する実行可能空間は、以下のように記述され、
【数３６】
2015174653.tif 000038
式中、Ｈｒｗ、Ｈｒｗは制約行列であり、ｘｒ、ｘｗは制約ベクトルであり、それらは、可能性として式（１６）〜（２１）のうちの１つ又は組合せとともに式（１１）〜（１５ｂ）によって記述される。
【００９１】
式（５）〜（８）によって求められたシステムは、両コマンドダイナミクス式（２５ａ）、（２５ｂ）によって補われる。
【００９２】
図９は、別の実施形態による、操舵角及び車輪角度を制御するために多変量非線形フィルターを使用する方法のフローチャートを示す。車輪システムの実行可能空間の部分集合が、例えば図７の方法を用いて制御不変集合Ｏｓｂｗとして計算される。そして、全ての制御サイクルにおいて、車輪角度の目標値並びにラックサブシステム及びコラムサブシステムの状態が受け取られ（９０１）、多変量非線形フィルターは、以下の多変量最適問題を解く（９０２）。
【数３７】
2015174653.tif 000039
【００９３】
解９０２は、操舵角及び車輪角度を同時に生成し、それらの値は、コントローラーにより、コラムモーター及びラックモーターに対する制御コマンドを生成する（９０３）ために使用される。
【００９４】
幾つかの実施形態は、位置合せの維持とＳＡＤＰシステムの要求に対する高速応答とを平衡させるように、最適化問題（３０）における非負重みｑを求める。例えば、重みｑを増大させることにより、目標値の変化に対する応答の迅速性が向上し、ｑを低減させることにより、ステアリングホイールと車輪との位置合せが向上する。本発明の別の実施形態では、最適化のためにフィルター（３０）のコスト関数にコスト関数（２３）が追加される。
【００９５】
二次計画によるフィルター出力の計算
制御不変集合の計算が図７Ａの方法に基づく幾つかの実施形態では、不変集合Ｏｒ、Ｏｗ、Ｏｓｂｗは、以下の形式の一次不等式によって表され、
【数３８】
2015174653.tif 000040
式中、Ｍｒ、Ｍｗ、Ｍｓｂｗ、Ｎｒ、Ｎｗ、Ｎｓｂｗ及びベクトルｘｒ、ｘｗは、式７の方法によって求められる。
【００９６】
したがって、フィルター出力を求めるフィルター問題（２６）（２８）（３０）を、制約付き二次計画を用いて解くことができる。例えば、問題（３０）を、以下のように凸制約付き二次計画として定式化することができる。
【数３９】
2015174653.tif 000041
【００９７】
したがって、二次計画法アルゴリズムによって二次計画の解を見つけ、その後、最適度に達する値ｖｒ、ｖｗをフィルターの出力として用いることにより、フィルターを計算することができる。
【００９８】
本発明の上記の実施形態は数多くの方法のいずれかにおいて実現することができる。例えば、それらの実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア又はその組合せを用いて実現することができる。ソフトウェアにおいて実現されるとき、そのソフトウェアコードは、単一のコンピューター内に設けられるにしても、複数のコンピューター間に分散されるにしても、任意の適切なプロセッサ、又はプロセッサの集合体において実行することができる。そのようなプロセッサは集積回路として実現することができ、集積回路構成要素内に１つ又は複数のプロセッサが含まれる。しかしながら、プロセッサは、任意の適切な構成の回路を用いて実現することができる。
【００９９】
また、本明細書において概説される種々の方法又はプロセスは、種々のオペレーティングシステム又はプラットフォームのいずれか１つを利用する１つ又は複数のプロセッサ上で実行可能であるソフトウェアとしてコード化することができる。さらに、そのようなソフトウェアは、幾つかの適切なプログラミング言語及び／又はプログラミングツール若しくはスクリプト記述ツールのいずれかを用いて書くことができ、フレームワーク又は仮想機械上で実行される実行可能機械語コード又は中間コードとしてコンパイルすることもできる。通常、プログラムモジュールの機能は、種々の実施形態において望ましいように、組合せることもできるし、分散させることもできる。
【０１００】
また、本発明の実施形態は方法として具現することができ、その一例が提供されてきた。その方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法において順序化することができる。したがって、例示的な実施形態において順次の動作として示される場合であっても、例示されるのとは異なる順序において動作が実行される実施形態を構成することもでき、異なる順序は、幾つかの動作を同時に実行することを含むことができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
2015174653.tif 000048
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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