JP5220492B2 - 車線維持支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、車線維持支援装置に関する。

従来、車両の走行ラインを目標走行ラインに維持するように、即ち車両をレーンキープさせるために操舵トルクアシストを行う車両の制御装置が知られている（特許文献１を参照）。

特許文献１の技術は、外乱が発生した場合に、通常の操舵量よりも大きな操舵量を車両に対して付与することにより、外乱が発生した車両を適切にレーンキープさせる。また、この技術は、外乱の度合いに応じて操舵量を変化させることで、無駄に操作トルクアシストが行われるのを防止する。このようにして、特許文献１の技術は、車線維持性能と操舵フィーリングの両立を図っている。
特開２００７−１５５７５号公報

しかし、特許文献１の技術では、応答性が向上するように車両制御が行われると、車両のヨー方向、横方向の運動が急激に変化することがある。このため、ドライバに違和感が生じてしまい、乗り心地が悪いと感じることがある。

本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、走行車線を維持する制御を行う際にドライバへの違和感を抑制しつつ応答性を向上させることができる車線維持支援装置を提供することを目的とする。

本発明に係る車線維持支援装置は、道路の車線に対する車両の偏向状態量を検出する偏向状態量検出手段と、車両の運動状態量を検出する運動状態量検出手段と、前記偏向状態量検出手段により検出された偏向状態量を用いて、前記車両が前記車線に沿って走行する状態を維持するための制御量を生成する制御量生成手段と、前記偏向状態量又は前記運動状態量を示すパラメータが、車両運動に対する前記パラメータに関する認識閾値を上限値とした不感帯の範囲内になるように、前記制御量生成手段により生成された制御量を調整する制御量調整手段と、前記制御量調整手段により調整された制御量に基づいて、前記車両の操舵輪の舵角を制御する操舵輪制御手段と、を備えている。

偏向状態量検出手段は、道路の車線に対する車両の偏向状態量を検出する。運動状態量検出手段は、車両の運動状態量を検出する。制御量生成手段は、少なくとも偏向状態量を用いて車両が前記車線に沿って走行する状態を維持するための制御量、すなわち走行ラインをキープするための制御量を生成する。制御量調整手段は、生成された制御量を偏向状態量又は運動状態量を示すパラメータが、車両運動に対するパラメータに関する認識閾値を上限値とした不感帯の範囲内になるように調整する。ここで、不感帯の範囲は、制御量の内容によって異なるので、制御量の内容に応じた範囲に設定される。そして、操舵輪制御手段は、調整された制御量に基づいて、車両の操舵輪の舵角を制御する。

したがって、本発明によれば、車両が前記車線に沿って走行する状態を維持するための制御量をドライバの感受特性に基づく不感帯の範囲内になるように調整するので、ドライバに違和感を与えることなく、車両が走行する車線を維持することができる。

本発明に係る車線維持支援装置は、偏向状態量を用いて車両が車線に沿って走行する状態を維持するための制御量を生成し、生成された制御量をドライバの感受特性に基づく不感帯の範囲内になるように調整し、調整された制御量に基づいて車両の操舵輪の舵角を制御することにより、ドライバへの違和感を抑制しつつ応答性を向上させながら、車両が走行する車線を維持することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る車線維持支援装置の概略構成を示す図である。上記車線維持支援装置は、車両に搭載され、ドライバに生じる違和感を抑制するように前輪及び後輪操舵角を制御する。

上記車線維持支援装置は、具体的には図１に示すように、ステアリングハンドルＳＴＨの操作に応じた操舵角を検出する操舵角センサ１１と、ステアリングハンドルＳＴＨに接続された操舵軸ＳＨＦに生じたトルクを検出するトルクセンサ１２と、車両前方を撮像して画像を生成するカメラ１３と、車両の走行速度（以下「車速」という。）を検出する車速センサ１４、を備えている。

さらに、上記車線維持支援装置は、車両に生じる横加速度を検出する横加速度センサ１５と、ヨーレートセンサ１８と、操舵軸ＳＨＦにトルクを与えるパワーステアリング機構１６と、後輪舵角を制御する後輪操舵機構１７と、カメラ１３及び各センサからの信号に基づいてパワーステアリング機構１６及び後輪操舵機構１７を制御する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という。）２０と、を備えている。

パワーステアリング機構１６は、ＥＣＵ２０からの制御に従って駆動される、図示しないモータを備えている。パワーステアリング機構１６は、上記モータにより発生されたトルク（以下「アシストトルク」という。）を操舵軸ＳＨＦに伝達することにより、ドライバの操舵をアシストする。なお、アシストトルクは、ＥＣＵ２０により演算される。後輪操舵機構１７は、ＥＣＵ２０の制御に従って、後輪の舵角が制御される。

ＥＣＵ２０は、カメラ１３により生成された画像に基づいて、走行ラインに対する車両の偏向状態であるヨー角θ及び横変位Ｄ、道路状態を表す曲率半径Ｒをそれぞれ検出する。

図２は、車両と走行レーンとの位置関係を示す図である。本実施形態では、ヨー角θ、横変位Ｄ、曲率半径Ｒは、例えば次のようにして検出される。

ＥＣＵ２０は、カメラ１３により生成された画像から白線Ｈ１、Ｈ２を画像認識する。そして、ＥＣＵ２０は、画像認識された白線Ｈ１、Ｈ２に基づいて、道路情報として道路の曲率半径Ｒを算出すると共に、偏向状態としてヨー角θ及び横変位Ｄを算出する。ヨー角θは、道路の接線方向Ｔａｎと車両５０の中心線Ｃｃとがなす角度、即ち道路に対して車両が傾いている角度である。横変位Ｄは、道路の中心線Ｃｒに対して車両の中心線Ｃｃがずれている量である。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ２０がヨー角θ、横変位Ｄ及び曲率半径Ｒを検出するが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＥＣＵ２０と別個の画像処理装置がヨー角θ、横変位Ｄ及び曲率半径Ｒのいずれかを検出してもよい。

また、カメラ１３の代わりに、レーダーを用いたプレビューセンサがヨー角θ、横変位Ｄ、曲率半径Ｒを検出してもよい。また、ヨー角θは、ヨーレートセンサ１８により検出されたヨーレートを時間積分したものでもよい。また、曲率半径Ｒは、インフラ情報として交通管理装置から送信され車載受信装置により受信された情報であってもよい。

また、ＥＣＵ２０は、トルクセンサ１２及び車速センサ１４の検出結果に基づいて、ドライバの操舵をアシストするアシストトルクを演算し、このアシストトルクを発生するようにパワーステアリング機構１６を制御する。

さらに、ＥＣＵ２０は、カメラ１３や各センサからの信号に基づいて、車両が走行レーンを維持するように、パワーステアリング機構１６及び後輪操舵機構１７をそれぞれ制御する。この場合、ＥＣＵ２０は、パワーステアリング機構１６のアシストトルクに対して更に追加する制御量（以下「アシストトルク追加量」という。）Ｔ_δと、後輪操舵機構１７における操舵輪の舵角δ_ｒと、次のようにして演算する。

図３は、ＥＣＵ２０の機能的な構成を示すブロック図である。ＥＣＵ２０は、目標ヨーレート及び目標横加速度をそれぞれ演算する目標ヨーレート・目標横加速度演算部２１と、前輪操舵角及び後輪操舵角をそれぞれ演算する前後輪舵角演算部２２と、減算を行う第１〜第４の減算器３１〜３４と、それぞれ所定の関数演算を行う第１〜５の関数演算部４１〜４５と、を備えている。

目標ヨーレート・目標横加速度演算部２１は、現在の車両が走行しているレーンを維持するための目標ヨーレート及び目標横加速度をそれぞれ演算する。具体的には、目標ヨーレート・目標横加速度演算部２１は、車速センサ１４で検出された車速Ｖと、カメラ１３で生成された画像に基づく曲率半径Ｒと、を用いて、次の式（１）及び（２）に従って、車両のヨーレートｒの目標値（以下「目標ヨーレート」という。）ｒ^＊と、横加速度Ｇ_ｙの目標値（以下「目標横加速度」という。）Ｇ_ｙ ^＊とを演算する。

これらの目標ヨーレート、目標横加速度は、円運動の慣性力の公式から導き出される理想的な値であるから、車両の運動状態に対するドライバの期待する値となる。

第１の減算器３１は、目標ヨーレート・目標横加速度演算部２１で演算された目標ヨーレートｒ^＊から、ヨーレートセンサ１８により実際に検出されたヨーレートｒを減じて、ヨーレート偏差（ｒ^＊−ｒ）を演算する。

第２の減算器３２は、目標ヨーレート・目標横加速度演算部２１で演算された目標横加速度Ｇ_ｙ ^＊から、横加速度センサ１５により実際に検出された横加速度Ｇ_ｙを減じて、横加速度偏差（Ｇ_ｙ ^＊−Ｇ_ｙ）を演算する。

第１の関数演算部４１は、関数Ｃ_１の特性に基づいて、ヨーレート偏差（ｒ^＊−ｒ）に対する出力値Ｃ_１（ｒ^＊−ｒ）を演算する。

図４は、関数Ｃ_１の特性を示す図である。関数Ｃ_１は、入力値がゼロから所定値までは緩やかに増加し、所定値を超えると急激に増加する増加関数である。以下本実施形態では、このゼロから所定値までの緩やかに増加する範囲を不感帯という。不感帯は、ドライバに違和感を与えないような範囲をいい、パラメータの種類、パラメータの目標値によって異なる。

ここで、ウェーバーの法則によれば、物理量が大きくなるほど弁別閾値（不感帯）が大きくなる。このことから、上記所定値である不感帯の上限値は、目標ヨーレートｒ^＊が小さい場合は小さな値であるが、目標ヨーレートｒ^＊が大きい場合は大きな値にできる。例えば、ヨーレート偏差（ｒ^＊−ｒ）に対する目標ヨーレートｒ^＊のウェーバー比（弁別閾／刺激量）が走行試験等の結果として０．２であることが判明した場合には、不感帯の上限値を０．２×目標ヨーレートｒ^＊から算出することが出来る。これにより、目標ヨーレートｒ^＊が大きい場合は、大きな偏差（ヨーレート偏差）を許容することができる。

第１の関数演算部４１は、図４に示すように、不感帯の範囲内であるときは出力が小さく、不感帯の範囲を超えると出力が大きくなる関数Ｃ_１を用いる。そして、目標ヨーレートｒ^＊からの偏差が不感帯の範囲内に調整される。これにより、車両運動による違和感をドライバに与えることなく、車両をレーンキープさせることができる。

また、目標ヨーレートｒ^＊が大きくなるほど不感帯の範囲が広がるので、出力が立ち上がるように偏差を大きくしてもよい。これにより、ヨーレートだけでなく、後述する他の全ての制御量（横加速度、横変位、ヨー角）の偏差を同時に不感帯の範囲内にしやすくなる。

ところで、小野他、「車両運動に関するドライバの期待と運動感受特性の研究」、日本機械学会第１６回交通・物流部門大会講演文集、ｐｐ１７９−１８２（２００７）（以下「文献１」という。）によると、被験者に視覚と体感のヨーの回転運動を独立に与えた場合、視覚の認識閾値が体感の認識閾値より小さくなった。すなわち、被験者は微小のヨーの運動については主に「視覚」で感じていることが分かった。この場合、視覚によるヨーレートの認識閾値は、0.07 deg/s r.m.sであった。そこで、ヨーレートの不感帯の上限値は、0.07 deg/s r.m.sの周辺の値、例えば0.06、0.07、又は0.08 deg/s r.m.sとすることができる。

同様に文献１によると、被験者に視覚と体感の横運動を独立に与えた場合、被験者は微小の横運動については主に「体感」で感じていることが分かった。この場合、視覚による横ジャーク（横加速度の時間微分値）の認識閾値は０．０６ｍ／ｓ^３ ｒ．ｍ．ｓであった。そこで、横ジャークの不感帯の上限値は、0.06m/s³ r.m.sの周辺の値、例えば0.05、0.06、0.07m/s³r.m.sとすることができる。

さらに、Ｍ．Ｊ．グリフン（Ｍ．Ｊ．Ｇｒｉｆｆｎ）、「ハンドブック・オブ・ヒューマン・バイブレーション」によると、視覚による横加速度の認識閾値は０．０１ｍ／ｓ^２ ｒ．ｍ．ｓであった。そこで、横加速度の不感帯の上限値は、0.01m/s² r.m.sの周辺の値、例えば0.005、0.01、0.02m/s²r.m.sとすることができる。

なお、ヨーレートの不感帯の上限値は、目標ヨーレートｒ^＊自体の値に応じて変更する場合に限らず、目標ヨーレートｒ^＊の変化率に応じて変更しても良い。また、ヨーレートｒ、横加速度Ｇ_ｙ、横変位Ｄはそれぞれ相関関係があり、いずれかのパラメータが変化すると他のパラメータも変化する。よって、ヨーレートの不感帯の上限値は、目標ヨーレートｒ^＊に限らず、他の目標値（例えば、目標横加速度Ｇ_ｙ）、横変位Ｄなどが変化した場合でも、その変化量に応じて変更可能である。

第２の関数演算部４２は、関数Ｃ_２の特性に基づいて、ヨー角θに対する出力値Ｃ_２（θ）を演算する。第３の関数演算部４３は、関数Ｃ_３の特性に基づいて、第２の減算器３２で演算された横加速度偏差（（Ｇ_ｙ ^＊−Ｇ_ｙ））に対する出力値Ｃ_３（Ｇ_ｙ ^＊−Ｇ_ｙ）を演算する。第４の関数演算部４４は、関数Ｃ_４の特性に基づいて、図１に示すカメラ１３で検出された横変位Ｄに対する出力値Ｃ_４（Ｄ）を演算する。

なお、上述した関数Ｃ_２〜Ｃ_４は、図４に示す関数Ｃ_１と同様に、入力値がゼロから所定値までは緩やかに増加して所定値を超えると急激に増加する増加関数である。また、パラメータの種類やパラメータの目標値によって、関数Ｃ_２〜Ｃ_４の不感帯の上限値が異なっている。すなわち、関数Ｃ_２〜Ｃ_４は、対象とするパラメータ及びその不感帯の範囲を除き、関数Ｃ_１と同様の特性を有している。

第３の減算器３３は、式（３）に従って、第１の関数演算部４１で演算されたＣ_１（ｒ^＊−ｒ）から、第２の関数演算部４２で演算されたＣ_２（θ）を減算して、車両に発生させるヨーモーメントＭを演算する。

第４の減算器３４は、式（４）に従って、第３の関数演算部４３で演算されたＣ_３（（Ｇ_ｙ ^＊−Ｇ_ｙ））から、第４の関数演算部４４で演算されたＣ_４（Ｄ）を減算して、車両に発生させる横力Ｆ_ｙを演算する。

前後輪舵角演算部２２は、第３の減算器３３で演算されたモーメントＭと、第４の減算器３４で演算された横力Ｆ_ｙとを用いて、式（５）及び（６）に従って、前輪横力Ｆ_ｙｆと後輪横力Ｆ_ｙｒとを演算する。

図５は、２輪モデルを示す図である。本実施形態では、図５に示す２輪モデルを使用する。この２輪モデルにおいて、横力Ｆ_ｙは、車両の重心で、車両の正面方向に対して直交する方向に発生する。車両の重心は、前輪の中心から距離ｌ_ｆ、後輪の中心から距離ｌ_ｒだけ離れている。

そして、前後輪舵角演算部２２は、上述のように演算した前輪横力Ｆ_ｙｆ及び後輪横力Ｆ_ｙｒ、車速センサ１４により検出された車速Ｖ、ヨーレートセンサ１８により検出されたヨーレートｒ、車体スリップ角βを用いて、式（７）及び（８）に従って、前輪舵角δ_ｆと後輪舵角δ_ｒとを演算する。なお、車体スリップ角βは、ヨーレートｒ、車速Ｖ、横加速度Ｇ_ｙ、転舵角（前輪舵角δ_ｆ、後輪舵角δ_ｒ）に基づいて算出される。車体スリップ角βの算出方法は特に限定されるものではないが、例えば特開２００３−１１８５５７号公報又は特開２００３−１１８６１２号公報に記載された技術を用いることができる。

ここで、Ｋ_ｆは前輪のコーナリングスティフネスであり、Ｋ_ｒは後輪のコーナリングスティフネスである。

第５の関数演算部４５は、関数Ｃ_５の特性に基づいて、前後輪舵角演算部２２で演算された前輪舵角δ_ｆに対する出力値、すなわちアシストトルク追加量Ｔ_δ（＝Ｃ_５（δ_ｆ））を演算する。

図６は、関数Ｃ_５の特性を示す図である。関数Ｃ_５は、入力値（前輪舵角δ_ｆ）が大きくなるに従って増加すると共に、出力値（アシストトルク追加量Ｔ_δ）が閾値Ｔｈに近付くに従って増加する割合が小さくなり、出力値が閾値Ｔｈに達すると、入力値がどんなに大きくなっても出力値を閾値Ｔｈに維持する関数である。なお、この閾値Ｔｈは、図１に示すトルクセンサ１２により検出される操舵トルクの大きさによって設定される。

本実施形態では、関数Ｃ_５の出力値がゼロから閾値Ｔｈになるまでの範囲を不感帯という。よって、閾値Ｔｈが大きな値の場合は不感帯の範囲は広くなるが、閾値Ｔｈが小さな値の場合は不感帯の範囲は狭くなる。

この関数Ｃ_５により、アシストトルク追加量Ｔ_δは常に不感帯の範囲内となり、ステアリングハンドルＳＴＨの操作時のドライバへの違和感が抑制される。また、操舵トルクに対応する閾値Ｔｈが大きくなるに従って不感帯の範囲が広くなるので、この場合、アシストトルク追加量Ｔ_δをより大きくしてもよい。これにより、前輪舵角δ_ｆを正確に実現できるので、ヨーレート、横加速度の偏差を不感帯の範囲内にしやすくなる。

そして、ＥＣＵ２０は、アシストトルクにアシストトルク追加量Ｔ_δを加算したトルクを発生するようにパワーステアリング機構１６を制御すると共に、操舵輪が後輪舵角δ_ｒになるように後輪操舵機構１７を制御する。

なお、ＥＣＵ２０は、上述したすべてのパラメータを同時に不感帯の範囲内に調整できない場合は、ドライバの感受特性が高いパラメータから優先的に不感帯の範囲に調整すればよい。

具体的には、ＥＣＵ２０は、車速センサ１４で検出された車速が所定の閾値より小さい場合は、アシストトルク追加量Ｔ_δ（操舵反力）、ヨーレート偏差、横加速度偏差の順に、これらの各パラメータを不感帯の範囲内になるように調整すればよい。また、ＥＣＵ２０は、車速センサ１４で検出された車速が所定の閾値より大きい場合は、アシストトルク追加量Ｔ_δ（操舵反力）、横加速度偏差、ヨーレート偏差の順に、これらの各パラメータを不感帯の範囲内になるように調整すればよい。

以上のように、本発明の実施形態に係る車線維持支援装置は、走行ラインをキープするためのドライバの期待する目標値を設定し、目標値と実際の値との偏差を人間の感受特性に基づく不感帯の範囲内になるように調整して、この偏差に基づいてパワーステアリング機構１６及び後輪操舵機構１７をそれぞれ制御する。上記車線維持支援装置は、偏差だけでなく、ヨー角θや横変位Ｄを人間の感受特性に基づく不感帯の範囲内になるように調整して、パワーステアリング機構１６及び後輪操舵機構１７をそれぞれ制御する。この結果、上記車線維持支援装置は、ドライバに違和感を与えることなく車両の走行ラインを維持することができる。

また、上記車線維持支援装置は、目標値が大きくなるに従って不感帯の範囲を広く設定することにより、制御量を不感帯の範囲内にすることができ、全ての制御量を同時に不感帯の範囲内にしやすくすることができる。なお、車線維持支援装置は、全ての制御量を同時に不感帯の範囲内にできない場合は、ドライバの感度が高い制御量、すなわちアシストトルク追加量Ｔ_δを優先して不感帯の範囲内に制御することにより、ドライバの違和感を抑制することができる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で設計上の変更をされたものにも適用可能であるのは勿論である。

本発明の実施の形態に係る車線維持支援装置の概略構成を示す図である。 車両と走行レーンとの位置関係を示す図である。 ＥＣＵの機能的な構成を示すブロック図である。 関数Ｃ_１の特性を示す図である。 ２輪モデルを示す図である。 関数Ｃ_５の特性を示す図である。

符号の説明

１１ 操舵角センサ
１２ トルクセンサ
１３ カメラ
１４ 車速センサ
１５ 横加速度センサ
１６ パワーステアリング機構
１７ 後輪操舵機構
２０ ＥＣＵ
２１ 目標ヨーレート・目標横加速度演算部
２２ 前後輪舵角演算部
３１〜３４ 第１〜４の減算器
４１〜４４ 第１〜４の関数演算部

Claims (8)

1. 道路の車線に対する車両の偏向状態量を検出する偏向状態量検出手段と、
   車両の運動状態量を検出する運動状態量検出手段と、
   前記偏向状態量検出手段により検出された偏向状態量を用いて、前記車両が前記車線に沿って走行する状態を維持するための制御量を生成する制御量生成手段と、
   前記偏向状態量又は前記運動状態量を示すパラメータが、車両運動に対する前記パラメータに関する認識閾値を上限値とした不感帯の範囲内になるように、前記制御量生成手段により生成された制御量を調整する制御量調整手段と、
   前記制御量調整手段により調整された制御量に基づいて、前記車両の操舵輪の舵角を制御する操舵輪制御手段と、
   を備えた車線維持支援装置。
2. 前記車両が走行する道路の状態を示す道路状態情報を検出する道路情報検出手段を更に備え、
   前記制御量生成手段は、前記運動状態量検出手段により検出された運動状態量と、前記道路情報検出手段により検出された道路情報と、の少なくとも１つを更に用いて前記制御量を生成する
   請求項１に記載の車線維持支援装置。
3. 偏向状態量が前記偏向状態量に対応する不感帯の範囲内にある場合は、前記不感帯の範囲外にある場合に比べて前記偏向状態量に対する出力値の傾きを小さくするように、前記偏向状態量検出手段により検出された偏向状態量を調整する偏向状態量調整手段を更に備え、
   前記制御量生成手段は、前記偏向状態量調整手段により調整された偏向状態量を更に用いて制御量を生成する
   請求項１または請求項２に記載の車線維持支援装置。
4. 前記制御量生成手段は、前記偏向状態量又は前記運動状態量を示すパラメータと、前記パラメータの目標値と、の偏差を前記制御量として生成し、
   前記制御量調整手段は、前記偏差が前記パラメータに対応する不感帯の範囲内にある場合は、前記不感帯の範囲外にある場合に比べて前記偏差に対する出力値の傾きを小さくするように、前記制御量生成手段により生成された偏差を調整する
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の車線維持支援装置。
5. 前記制御量調整手段は、前記目標値に応じて前記不感帯の範囲を設定する
   請求項４に記載の車線維持支援装置。
6. 前記制御量調整手段は、前記目標値が大きくなるに従って上限値が大きくなるように前記不感帯の範囲を設定する
   請求項５に記載の車線維持支援装置。
7. 前記制御量生成手段は、更に前記制御量として操舵反力を生成し、
   前記制御量調整手段は、更に前記操舵反力の不感帯の範囲を超えないように前記制御量生成手段により生成された操舵反力を調整する
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の車線維持支援装置。
8. 前記制御量調整手段は、複数の操舵量のうち前記操舵反力を優先して調整する
   請求項７に記載の車線維持支援装置。

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