JP6327701B2

JP6327701B2 - 車両の車線逸脱防止制御装置

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Publication number: JP6327701B2
Application number: JP2014069708A
Authority: JP
Inventors: 武寺澤
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: JP2015189410A

Description

本発明は、自車両が走行車線から逸脱しそうな場合に、アクチュエータを作動させることにより、車両にヨーモーメントを付与させることで車線からの逸脱を防止する制御を行う車両の車線逸脱防止制御装置に関する。

近年、車両においては、運転を支援する様々な装置が開発、実用化されており、車線からの逸脱を防止する車線逸脱防止制御装置もそのような装置の一つである。例えば、特開平７−１０５４９８号公報（以下、特許文献１）では、自車両の推定進行路と車線の側縁との交点までの距離と、交点における推定進行路と側縁とのなす角度とに基づき、車線からの逸脱状態を予測し、該予測に基づいて逸脱を防止すべく自動的な修正操舵を行う自動車の走行状態判定装置の技術が開示されている。

特開平７−１０５４９８号公報

ところで、車両の操舵系における摩擦トルクの値は、温度、経年変化（摩耗等）、固体間のばらつき等の影響があり、摩擦トルクの真の値を逐次精度良く推定することは困難である。このような操舵系の摩擦トルクを推定して補償値を求めて操舵制御を補償する際、操舵系の摩擦トルクの推定値が真値より不足する場合は操舵の切り遅れ生じ、結果車線逸脱を防止できない虞がある。逆に、操舵系の摩擦トルクの推定値が真値より大きな場合は操舵の切り過ぎが生じる。こうした操舵制御を採用する車線逸脱防止制御では、上述のような操舵補償の誤差により、特に真値より過大に補償を行った場合、逸脱防止の操舵トルクのハンチングが生じ、ドライバの操舵感が悪化してしまう虞がある。つまり、車線に対して逸脱防止中に目標旋回量より実旋回量が上回った際に即座に切り戻し方向に操舵補償を実施すると、逸脱方向への舵の抜け感をドライバが感じ、また、再度目標旋回量より実旋回量が下回った際に、再度逸脱防止方向にトルクが加わって、操舵力の変動が生じ、ドライバに違和感を与えてしまう課題がある。更に、目標旋回量と実旋回量の差異を考慮すること無く、一定のトルクを出力することで、不要な操舵力の変動を抑えることもできるが、実旋回量が目標旋回量を上回っている場合には、ステアリングの切り過ぎにより、実旋回量が目標旋回量を大きく上回ってしまう虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ステアリングの切り過ぎを生じること無く、車線逸脱制御におけるハンチング等の操舵力の不要な変動を防止して操舵感の悪化を確実に抑制することができる車両の車線逸脱防止制御装置を提供することを目的としている。

本発明の車両の車線逸脱防止制御装置の一態様は、車両が走行している車線を検出する車線検出手段と、上記車線における車両の位置情報と走行状態に基づき上記車線からの逸脱予想を行う逸脱予想手段と、上記車線からの逸脱予想に基づいて上記車線からの逸脱を防止するのに必要な車両に付加する目標旋回量を算出する目標旋回量算出手段と、上記目標旋回量に応じた制御量が入力されて作動する操舵手段と、予め上記操舵手段の作動により生じる実際の旋回量の変化に基づいて上記操舵手段での摩擦トルクを補償する補償トルクを設定し、上記目標旋回量と上記実際の旋回量とを比較して上記制御量に上記補償トルクを付加して補正する制御量補正手段と、車両が車線を逸脱すると予想される場合と逸脱しないと予想される場合とで上記制御補正手段による補正を変更させる制御補正変更手段とを備えた。

本発明による車両の車線逸脱防止制御装置によれば、ステアリングの切り過ぎを生じること無く、車線逸脱制御におけるハンチング等の操舵力の不要な変動を防止して操舵感の悪化を確実に抑制することが可能となる。

本発明の実施の一形態に係る車両の操舵系の構成説明図である。本発明の実施の一形態に係る車線逸脱防止制御プログラムのフローチャートである。本発明の実施の一形態に係る操舵系フリクション補償処理ルーチンのフローチャートである。本発明の実施の一形態に係るＸ−Ｚ座標上における自車両及び車線と各パラメータの説明図である。本発明の実施の一形態に係る制御により設定される摩擦補償トルクの一例を示すタイムチャートで、図５（ａ）は逸脱方向のヨー角の信号を示し、図５（ｂ）は実ヨーレートと目標ヨーレートを示し、図５（ｃ）は設定される摩擦補償トルクを示す。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１において、符号１は操舵角をドライバ入力と独立して設定自在な操舵手段としての電動パワーステアリング装置を示し、この電動パワーステアリング装置１は、ステアリング軸２が、図示しない車体フレームにステアリングコラム３を介して回動自在に支持されており、その一端が運転席側へ延出され、他端がエンジンルーム側へ延出されている。ステアリング軸２の運転席側端部には、ステアリングホイール４が固設され、また、エンジンルーム側へ延出する端部には、ピニオン軸５が連設されている。

エンジンルームには、車幅方向へ延出するステアリングギヤボックス６が配設されており、このステアリングギヤボックス６にラック軸７が往復移動自在に挿通支持されている。このラック軸７に形成されたラック（図示せず）に、ピニオン軸５に形成されたピニオンが噛合されて、ラックアンドピニオン式のステアリングギヤ機構が形成されている。

また、ラック軸７の左右両端はステアリングギヤボックス６の端部から各々突出されており、その端部に、タイロッド８を介してフロントナックル９が連設されている。このフロントナックル９は、操舵輪としての左右輪１０Ｌ，１０Ｒを回動自在に支持すると共に、車体フレームに転舵自在に支持されている。従って、ステアリングホイール４を操作し、ステアリング軸２、ピニオン軸５を回転させると、このピニオン軸５の回転によりラック軸７が左右方向へ移動し、その移動によりフロントナックル９がキングピン軸（図示せず）を中心に回動して、左右輪１０Ｌ，１０Ｒが左右方向へ転舵される。

また、ピニオン軸５にアシスト伝達機構１１を介して、電動パワーステアリングモータ（電動モータ）１２が連設されており、この電動モータ１２にてステアリングホイール４に加える操舵トルクのアシスト、及び、設定された目標旋回量（例えば、目標ヨーレート）となるような操舵トルクの付加が行われる。電動モータ１２は、後述する操舵制御部２０から制御出力値としての目標トルクＴｐがモータ駆動部２１に出力されてモータ駆動部２１により駆動される。

操舵制御部２０は、ドライバの操舵力を補助する電動パワーステアリング制御機能、車両を目標進行路に沿って走行させるレーンキープ制御機能、車線の車線区画線（左右白線）からの逸脱を防止する車線逸脱防止制御機能等を有して構成され、本実施の形態では、車線逸脱防止制御機能の構成について説明する。

操舵制御部２０には、車線区画線（左右白線）を検出し、車線区画線から車線情報と、車線に対する車両の姿勢角・位置情報を取得する車線検出手段としての前方認識装置３１が接続され、車速Ｖを検出する車速センサ３２、操舵角（実舵角）θｐを検出する操舵角センサ３３、ヨーレートγを検出するヨーレートセンサ３４、車線のカント角θcaを検出するカント角検出センサ３５が接続されている。

前方認識装置３１は、例えば、車室内の天井前方に一定の間隔をもって取り付けられ、車外の対象を異なる視点からステレオ撮像する１組のＣＣＤカメラと、このＣＣＤカメラからの画像データを処理するステレオ画像処理装置とから構成されている。

前方認識装置３１のステレオ画像処理装置における、ＣＣＤカメラからの画像データの処理は、例えば以下のように行われる。まず、ＣＣＤカメラで撮像した自車両の進行方向の１組のステレオ画像対に対し、対応する位置のずれ量から距離情報を求め、距離画像を生成する。

白線データの認識では、白線は道路面と比較して高輝度であるという知得に基づき、道路の幅方向の輝度変化を評価して、画像平面における左右の白線の位置を画像平面上で特定する。この白線の実空間上の位置（ｘ，ｙ，ｚ）は、画像平面上の位置（ｉ，ｊ）とこの位置に関して算出された視差とに基づいて、すなわち、距離情報に基づいて、周知の座標変換式より算出される。自車両の位置を基準に設定された実空間の座標系は、本実施の形態では、例えば、図４に示すように、ステレオカメラの中央真下の道路面を原点として、車幅方向をＸ軸（左方向を「＋」）、車高方向をＹ軸（上方向を「＋」）、車長方向（距離方向）をＺ軸（前方向を「＋」）とする。このとき、Ｘ−Ｚ平面（Ｙ＝０）は、道路が平坦な場合、道路面と一致する。道路モデルは、道路上の自車両の車線を距離方向に複数区間に分割し、各区間における左右の白線を所定に近似して連結することによって表現される。尚、本実施の形態では、車線の形状を１組のＣＣＤカメラからの画像を基に認識する例で説明したが、他に、単眼カメラ、カラーカメラからの画像情報を基に求めるものであっても良い。

また、カント角検出センサ３５は、例えば、以下の（１）式により、カント角θcaを算出するようになっている。
θca＝ｓｉｎ^−１（（Ｇ’−Ｇ）／ｇ） …（１）
ここで、Ｇは横加速度センサ（図示せず）で検出した横加速度値で、Ｇ’は、例えば、以下の（２）式により算出される計算横加速度値で、ｇは重力加速度である。
Ｇ’＝（１／（１＋Ａｓ・Ｖ^２））・（Ｖ^２／Ｌｗ）・θｐ …（２）
ここで、Ａｓは車両固有のスタビリティファクタで、Ｌｗはホイールベースである。

尚、カント角θcaは、他に、図示しないナビゲーションシステムの地図情報等から得られるものであっても良い。

そして、操舵制御部２０は、上述の車線区画線位置情報、各センサ信号を基に、車線の幅方向の車両位置（車線幅方向車両横位置）ｘｖを算出し、車線に対する車両のヨー角θyawを算出し、車線幅方向車両横位置ｘｖとヨー角θyawと車速Ｖに基づいて車線から逸脱する車線逸脱予想時間Ｔttlcを算出し、ヨー角θyawと車線逸脱予想時間Ｔttlcとに基づいて車線からの逸脱を防止する目標ヨーレートγtを算出し、該目標ヨーレートγｔと実際のヨーレートγを基に車線からの逸脱を防止するのに必要な車両に付加する目標ヨーモーメントＭztを算出し、目標ヨーモーメントＭztに応じて電動パワーステアリング装置１に出力する制御量としての目標トルクＴｐを算出し、車両が車線逸脱方向に向いている場合、ヨーレートγが目標ヨーレートγｔを超えている場合は目標トルクＴｐに付加する操舵系の摩擦トルクを補償する摩擦補償トルクＴfricを０とする一方、ヨーレートγが目標ヨーレートγｔを超えていない場合はヨーレートγが目標ヨーレートγｔに近づく方向に摩擦補償トルクＴfricを付加すると共に、車両が車線逸脱方向に向いていない場合、ヨーレートγが目標ヨーレートγｔに近づく方向に摩擦補償トルクＴfricを付加して補償し、この摩擦補償された目標トルクＴｐをモータ駆動部２１に出力する。また、車線逸脱予想時間Ｔttlcは、警報制御装置４０に対しても出力され、警報制御装置４０で、車線逸脱予想時間Ｔttlcと予め設定しておいた閾値とが比較され、車線逸脱予想時間Ｔttlcが閾値より短くなった場合には、音声、チャイム音等の聴覚的な警報や、モニタ表示等の視覚的な警報により、ドライバに対して車線逸脱警報が発せられる。このように、操舵制御部２０は、逸脱予想手段、目標旋回量算出手段、制御量補正手段、制御補正変更手段の機能を有して構成されている。尚、本実施の形態においては、目標ヨーレートγｔ、及び、目標ヨーモーメントＭztを目標旋回量とし、ヨーレートセンサ３４からのヨーレートγを実際の旋回量としている。

以下、図２のフローチャートを基に、操舵制御部２０で実行される車線逸脱防止制御を説明する。
まず、ステップ（以下、「Ｓ」と略称）１０１で、前方認識装置３１で取得した左右白線の近似処理を実行する。

自車両の左側の白線は最小自乗法により、以下の（３）式により近似される。
ｘ＝ＡＬ・ｚ^２＋ＢＬ・ｚ＋ＣＬ …（３）
また、自車両の右側の白線は最小自乗法により、以下の（４）式により近似される。
ｘ＝ＡＲ・ｚ^２＋ＢＲ・ｚ＋ＣＲ …（４）
ここで、上述の（３）式、（４）式における、「ＡＬ」と「ＡＲ」は、それぞれの曲線における曲率を示し、左側の白線の曲率κは、２・ＡＬであり、右側の白線の曲率κは、２・ＡＲである。また、（３）式、（４）式における、「ＢＬ」と「ＢＲ」は、それぞれの曲線の自車両の幅方向における傾きを示し、「ＣＬ」と「ＣＲ」は、それぞれの曲線の自車両の幅方向における位置を示す（図４参照）。

次いで、Ｓ１０２に進み、自車両の対車線ヨー角θyawを、以下の（５）式により算出する。
θyaw＝（ＢＬ＋ＢＲ）／２ …（５）

次に、Ｓ１０３に進み、車線の中央からの自車両位置である車線幅方向車両横位置ｘｖを、以下の（６）式により算出する。
ｘｖ＝（ＣＬ＋ＣＲ）／２ …（６）

次いで、Ｓ１０４に進み、車線車両間距離Ｌを、以下の（７）式により算出する。
Ｌ＝（（ＣＬ−ＣＲ）−ＴＲ）／２−ｘｖ …（７）
ここで、ＴＲは車両のトレッドであり、本発明の実施の形態では、タイヤ位置を車線逸脱判定の基準に用いるものとする。

次に、Ｓ１０５に進み、車線から逸脱する車線逸脱予想時間Ｔttlcを、例えば、以下の（８）式により算出する。
Ｔttlc＝Ｌ／（Ｖ・ｓｉｎ（θyaw）） …（８）

そして、Ｓ１０６に進み、上述の車線逸脱予想時間Ｔttlcが警報制御装置４０に出力され、この警報制御装置４０で、車線逸脱予想時間Ｔttlcと予め設定しておいた閾値とが比較され、車線逸脱予想時間Ｔttlcが閾値より短くなった場合には、音声、チャイム音等の聴覚的な警報や、モニタ表示等の視覚的な警報により、ドライバに対して車線逸脱警報が発せられる。

次に、Ｓ１０７に進み、車線からの逸脱を防止する目標ヨーレートγｔを、以下の（９）式により算出する。
γｔ＝−θyaw／Ｔttlc …（９）

次いで、Ｓ１０８に進み、上述のＳ１０７で算出した目標ヨーレートγｔを基に、車線からの逸脱を防止するのに必要な車両に付加する目標ヨーモーメントＭztを、以下の（１０）式により算出する。
Ｍzt＝Ｋｐ・（γｔ−γ）＋Ｋｉ・∫（γｔ−γ）
＋Ｋｄ・ｄ（γｔ−γ）／ｄｔ …（１０）
ここで、Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲイン、Ｋｄは微分ゲインである。

次に、Ｓ１０９に進み、後述の図３のフローチャートで説明する、操舵系フリクション補償処理を行って、操舵系摩擦補償トルクＴfricを算出する。

そして、Ｓ１１０に進んで、以下の（１１）式により目標トルクＴｐを算出してモータ駆動部２１に出力する。
Ｔｐ＝Ｋ・Ｍzt＋Ｔfric …（１１）
ここで、Ｋは予め設定しておいたトルク変換ゲインである。

次に、上述のＳ１０９で実行される操舵系フリクション補償処理を、図３のフローチャートで説明する。
まず、Ｓ２０１で、自車両の対車線ヨー角θyawが逸脱方向か否か判定し、逸脱方向ではない場合は、Ｓ２０２に進み、ヨーレートの絶対値|γ|と目標ヨーレートの絶対値|γｔ|を比較する。

この判定の結果、|γ|≦|γｔ|の場合は、Ｓ２０３に進み、左旋回時（符号「＋」）の場合にはヨーレートγの値を目標ヨーレートγｔに向けて増加させるべく、摩擦補償トルクＴfricの値に＋Ｔfcを設定する（Ｔfric＝＋Ｔfc）一方、右旋回時（符号「−」）の場合にはヨーレートγの値を目標ヨーレートγｔに向けて減少させるべく、摩擦補償トルクＴfricの値に−Ｔfcを設定（Ｔfric＝−Ｔfc）してルーチンを抜ける。尚、Ｔfcは、予め実験、演算等により設定しておいた正の補償トルクの値であり、実舵角θｐ、操舵トルクから推定される摩擦トルクの推定値等により可変設定される値でも良い。

また、Ｓ２０２の判定の結果、|γ|＞|γｔ|の場合は、Ｓ２０４に進み、左旋回時（符号「＋」）の場合にはヨーレートγの値を目標ヨーレートγｔに向けて減少させるべく、摩擦補償トルクＴfricの値に−Ｔfcを設定する（Ｔfric＝−Ｔfc）一方、右旋回時（符号「−」）の場合にはヨーレートγの値を目標ヨーレートγｔに向けて増加させるべく、摩擦補償トルクＴfricの値に＋Ｔfcを設定（Ｔfric＝＋Ｔfc）してルーチンを抜ける。

上述のＳ２０１の判定の結果、自車両の対車線ヨー角θyawが逸脱方向と判定し、逸脱防止制御が実行されていると判定した場合は、Ｓ２０５に進み、ヨーレートの絶対値|γ|と目標ヨーレートの絶対値|γｔ|を比較する。

Ｓ２０５の判定の結果、|γ|≦|γｔ|の場合は、Ｓ２０６に進み、上述のＳ２０３と同様、左旋回時（符号「＋」）の場合にはヨーレートγの値を目標ヨーレートγｔに向けて増加させるべく、摩擦補償トルクＴfricの値に＋Ｔfcを設定する（Ｔfric＝＋Ｔfc）一方、右旋回時（符号「−」）の場合にはヨーレートγの値を目標ヨーレートγｔに向けて減少させるべく、摩擦補償トルクＴfricの値に−Ｔfcを設定（Ｔfric＝−Ｔfc）してルーチンを抜ける。

また、Ｓ２０２の判定の結果、|γ|＞|γｔ|の場合は、Ｓ２０７に進み、ヨーレートγの値を目標ヨーレートγｔに近づけるべく、ヨーレートの絶対値が減少する方向に行う補償を禁止して、換言すれば、ステアリングを切り戻す方向に制御する摩擦補償トルクＴfricによる補償を禁止するべく、摩擦補償トルクＴfricの値を０としてルーチンを抜ける。

上述の車線逸脱防止制御での、ヨーレートセンサ３４からのヨーレートγ（実ヨーレートγ）、目標ヨーレートγｔ、設定される摩擦補償トルクＴfricの一例を、図５のタイムチャートで説明する。尚、本図５の説明では、左旋回（「＋」符号）方向の目標ヨーレートγｔがに入力される例を示している。

まず、図５（ａ）に示すように、車両が車線からの逸脱方向にヨー角θyawが向いている状態で、逸脱防止制御が作動し、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ１で目標ヨーレートγが入力されると、これにより実ヨーレートγが上昇される。

図５（ａ）に示すように、車両が車線からの逸脱方向に向いているため、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ５までは、逸脱防止制御により目標ヨーレートγｔが入力されるが、この時刻ｔ１〜時刻ｔ５までの間で、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の間はγ≦γｔとなり、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の間はγ＞γｔとなり、時刻ｔ３〜時刻ｔ４の間はγ≦γｔとなり、時刻ｔ４〜時刻ｔ５の間はγ＞γｔとなる。

図５（ａ）に示すように、時刻ｔ５以降は、車両は車線からの逸脱方向に向いていないため、逸脱防止制御による目標ヨーレートγｔの入力はなくなって、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ５〜時刻ｔ６の間はγ＞γｔとなり、時刻ｔ６〜時刻ｔ７の間はγ≦γｔとなり、時刻ｔ７以降はγ＞γｔとなっている。

こうした、図５（ｂ）に示す目標ヨーレートγｔと実ヨーレートγの関係において、本実施の形態では、基本的に、操舵系の摩擦トルクを補償するため、図５（ｃ）に示すように、時刻ｔ５以降の摩擦補償トルクＴfricのように、実ヨーレートγが目標ヨーレートγｔに近づく方向に摩擦補償トルクＴfricを付加して、操舵系の摩擦トルクを補償し、ドライバが感じるフリクション感を安定させ、操舵フィーリングを向上できるようになっている。

しかしながら、時刻ｔ１〜時刻ｔ５の間のような、車両が車線から逸脱方向に向いており逸脱防止制御が作動するような場合には、γ≦γｔとなるステアリングを切り増し方向に制御する場合にのみ摩擦補償トルクＴfricを付加し、γ＞γｔとなるようなステアリングを戻し方向に制御する場合は、摩擦補償トルクＴfricを０とする。このように、ステアリングを切り増し方向に制御する場合にのみ摩擦補償トルクＴfricを付加することにより、ステアリングの切り過ぎを生じること無く、ステアリングを切り増し方向に制御する場合と切り戻し方向に制御する場合の摩擦補償トルクＴfricの付加で生じる無用な操舵トルクの変動を防止し、操舵トルクのハンチングが生じてドライバの操舵感が悪化することを確実に防止できるようになっている。

１電動パワーステアリング装置（操舵手段）
２ステアリング軸
４ステアリングホイール
５ピニオン軸
１０Ｌ、１０Ｒ車輪
１２電動モータ
２０操舵制御部（逸脱予想手段、目標旋回量算出手段、制御量補正手段、制御補正変更手段）
２１モータ駆動部
３１前方認識装置（車線検出手段）
３２車速センサ
３３操舵角センサ
３４ヨーレートセンサ
３５カント角検出センサ
４０警報制御装置

Claims

車両が走行している車線を検出する車線検出手段と、
上記車線における車両の位置情報と走行状態に基づき上記車線からの逸脱予想を行う逸脱予想手段と、
上記車線からの逸脱予想に基づいて上記車線からの逸脱を防止するのに必要な車両に付加する目標旋回量を算出する目標旋回量算出手段と、
上記目標旋回量に応じた制御量が入力されて作動する操舵手段と、
予め上記操舵手段の作動により生じる実際の旋回量の変化に基づいて上記操舵手段での摩擦トルクを補償する補償トルクを設定し、上記目標旋回量と上記実際の旋回量とを比較して上記制御量に上記補償トルクを付加して補正する制御量補正手段と、
車両が車線を逸脱すると予想される場合と逸脱しないと予想される場合とで上記制御量補正手段による補正を変更させる制御補正変更手段と、
を備えたことを特徴とする車両の車線逸脱防止制御装置。
上記制御補正変更手段は、上記車両が車線を逸脱すると予想される場合、上記実際の旋回量が上記目標旋回量を超えている場合は上記補償トルクを０とする一方、上記実際の旋回量が上記目標旋回量を超えていない場合は上記実際の旋回量が上記目標旋回量に近づく方向に上記補償トルクを付加すると共に、上記車両が車線を逸脱しないと予想される場合、上記実際の旋回量が上記目標旋回量に近づく方向に上記補償トルクを付加することを特徴とする請求項１記載の車両の車線逸脱防止制御装置。