JP6330465B2 - 運転支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体に設けられた姿勢制御系を制御する運転支援装置に関する。

従来、車両に搭載される運転支援装置であって、車両の移動軌跡を、本来走行すべき目標軌道に追従させる軌道追従制御を実行する運転支援装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載された運転支援装置においては、車両の過去の挙動から当該車両の予測軌道を導出し、その予測軌道と目標軌道との車幅方向に沿ったズレ幅ｄが「０」となるように、ズレ幅ｄに所定の比例係数ｋを乗算することで舵角δを算出する。そして、その舵角δを実現するように車両の操舵装置を制御することを、軌道追従制御として実行する。

特開平０６−３００５８１号公報

ところで、車両が走行する道路においては、進行路に沿って曲率半径が変化する。この曲率半径が変化する地点として、例えば、「Ｓ字カーブ」における変曲点や、「直線路」から「曲路」への入口地点、「曲路」から「直線路」への出口地点などが存在する。

このような曲率が変化する地点を車両が走行する場合、その地点において、予測軌道と目標軌道との車幅方向に沿ったズレ幅ｄが大きくなる。
この場合、従来の技術では、ズレ幅ｄが「０」となるように舵角δを算出するため、舵角δは、操舵が切り戻される方向に大きな値となる。その算出された舵角δを実現するように操舵装置が制御されると、オーバーシュートやハンチングが生じる。

この結果、従来の技術では、車両の挙動が不安定となり、車両の乗員に違和感を与えるという課題があった。
換言すると、従来の技術は、目標への追従が困難であるという課題があった。

そこで、本発明は、目標への追従性を向上させる技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明は、移動体に搭載される運転支援装置（４０）に関する。本発明の運転支援装置は、目標設定手段（４０，Ｓ１１０）と、制御手段（４０，Ｓ１６０，Ｓ１７０）とを備えている。

目標設定手段は、移動体が移動すべき目標地点Ｐ_refを設定する。そして、制御手段は、目標設定手段で設定された目標地点Ｐ_refにおいて、当該目標地点Ｐ_refにおける回転半径Ｒに当該移動体の旋回半径ｒが収束するように、当該移動体の姿勢制御系（３０）を制御する追従制御を実行する。

このような本発明は、以下の知見に基づくものである。その知見とは、本発明の発明者が鋭意研究した結果であり、任意の目標地点における回転半径Ｒに、移動体の旋回半径ｒが収束するように移動体の姿勢制御系を制御することで、移動体の操縦者が希望する目標地点を追従可能となるというものである。

本発明の運転支援装置において時間軸に沿って順次設定される目標地点の中には、凹凸や勾配、摩擦係数が変化する地点も含まれる。
このような目標地点であっても、本発明の運転支援装置によれば、目標地点Ｐ_refにおける回転半径Ｒに移動体の旋回半径ｒが収束するように、移動体の姿勢を制御しているため、各目標地点Ｐ_refを通過させることができる。

以上のことから、本発明の運転支援装置によれば、目標への追従性を向上させることができる。この結果、本発明の運転支援装置によれば、移動体の挙動を安定させることができ、その移動体の乗員に違和感を与えることを低減できる。

しかも、本発明の発明者は、移動体の旋回半径ｒを目標地点Ｐ_refにおける回転半径Ｒに収束させることが、移動体に発生する横加速度を連続的に制御し、かつ目標軌道へ追従する制御を行うことを意味するという知見を得た。

換言すれば、本発明の運転支援装置によれば、横加速度が連続性を持つことにより、ジャーク（躍度）の変化を抑えることができる。この結果、移動体の乗り心地を向上させることができる。

本発明の運転支援装置においては、位置取得手段（４０，Ｓ１１０）と、中心導出手段（４０，Ｓ１３０）と、旋回半径導出手段（４０，Ｓ１５０）と、目標半径導出手段（４０，Ｓ１４０）とを備えていても良い。

この場合、位置取得手段では、移動体の現在位置を、予め規定された規定時間間隔で繰り返し取得する。中心導出手段では、位置取得手段で繰り返し取得した現在位置に基づいて、当該移動体の旋回中心Ｏ_Rを導出する。さらに、旋回半径導出手段では、目標地点Ｐ_ref及び旋回中心Ｏ_Rに基づいて、当該移動体の旋回半径ｒを導出する。そして、目標半径導出手段では、目標地点Ｐ_ref及び旋回中心Ｏ_Rに基づいて、目標地点Ｐ_refにおける回転半径Ｒを導出する。

さらに、本発明における制御手段は、目標半径導出手段で導出された目標地点Ｐ_refにおける回転半径Ｒに、旋回半径導出手段で導出した当該移動体の旋回半径ｒが収束するように、当該移動体の姿勢制御系を制御することを、追従制御として実行しても良い。

このような運転支援装置によれば、移動体の現在位置に基づいて算出した目標地点Ｐ_refにおける回転半径Ｒ、及び移動体の旋回半径ｒに基づいて、追従制御を実行することができる。

なお、「特許請求の範囲」及び「課題を解決するための手段」の欄に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

また、本発明は、前述した運転支援装置の他、移動体の姿勢制御系を制御するためにコンピュータが実行するプログラム、移動体の姿勢制御系を制御する制御方法等、種々の形態で実現することができる。

運転支援システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の根拠を説明する説明図である。 目標追従処理の処理手順を説明するフローチャートである。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
＜１． 運転支援システム＞
図１に示すように、本実施形態の運転支援システム１は、自動車に搭載されるシステムであり、搭載された自動車の挙動を制御するものである。この運転支援システム１は、状況検知部１０と、車両挙動検知部２０と、アクチュエータ３０と、制御部４０とを備えている。

以下、運転支援システム１が搭載された車両を自車両と称す。
このうち、状況検知部１０は、自車両の状況を検知する装置である。本実施形態における状況検知部１０は、位置検知部１２を備えている。

ここで言う位置検知部１２は、自車両の現在位置（緯度，経度，高度）を検出する周知の装置である。この位置検知部１２は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）を構成する複数の衛星からの信号を受信する受信機を備え、その受信機にて受信した信号に基づく周知の手法により自車両の現在位置（緯度，経度，高度）を算出する。また、位置検知部１２は、ジャイロセンサや地磁気センサなど、受信機以外のセンサを備えていても良い。

また、状況検知部１０は、自車両の進行方向上の状況を検知する外部状況検知部を備えていても良い。この外部状況検知部として、例えば、撮像装置と、前方監視装置とが考えられる。ここで言う撮像装置は、自車両の進行方向上を撮像領域として画像を撮像する周知の装置である。また、前方監視装置は、自車両の進行方向上に向けて探査波を照射し、その反射波に基づいて、自車両の進行方向上の状況を検出する周知の装置である。前方監視装置は、例えば、レーザ光を探査波として照射するレーザレーダであっても良いし、ミリ波帯域の電波を探査波として照射するミリ波レーダであっても良い。

車両挙動検知部２０は、車両の状態を検知する各種センサ群である。この車両挙動検知部２０には、少なくとも、車輪速センサ２２と、ヨーレートセンサ２４とを含む。
車輪速センサ２２は、自車両の各車輪における回転速度を検知する周知のセンサである。本実施形態においては、各車輪の回転速度の平均値を、自車両の車速ｖとして導出すれば良い。ヨーレートセンサ２４は、自車両のヨーレートγを検知する周知のセンサである。

なお、車両挙動検知部２０は、車輪速センサ２２及びヨーレートセンサ２４の他に、各種センサを備えていても良い。その各種センサには、自車両に加わる加速度を検知する加速度センサや、自車両の舵角δを検知する操舵角センサなどが含まれていても良い。

さらに、アクチュエータ３０は、自動車に搭載された各種装置を制御する周知の装置である。本実施形態のアクチュエータ３０には、少なくとも、自動車のステアリングを制御する周知の操舵装置を含む。この操舵装置は、特許請求の範囲に記載された姿勢制御系の一例である。

また、制御部４０は、ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＣＰＵを備えた周知のマイクロコンピュータを中心に構成された制御装置である。この制御部４０は、自車両が目標地点に追従するように、自車両のステアリングを制御する目標追従処理を実行する。

具体的に、本実施形態の目標追従処理では、目標地点Ｐ_refにおける目標旋回半径Ｒに自車両の旋回半径ｒが収束するように、自車両の操舵制御装置（即ち、アクチュエータ３０）を制御する。
＜２．目標追従処理の根拠＞
その目標追従処理は、以下の知見に基づくものである。その知見とは、発明者が鋭意研究した結果であり、任意の目標地点Ｐ_ref（ｘ，ｙ）における回転半径Ｒに、移動体の旋回半径ｒが収束するように移動体の姿勢制御系を制御することで、移動体の操縦者が希望する目標地点Ｐ_refを追従可能となるというものである。

なお、この知見は、目標地点Ｐ_ref（ｘ，ｙ）におけるオプティカルフローｕを「０」とすることで、自車両が移動すべき弧に沿って、その自車両を目標地点Ｐ_ref（ｘ，ｙ）まで移動させることが可能となるという、本発明の発明者が鋭意研究を行った結果を、幾何学的に解析することで得られる。

ここで言うオプティカルフローｕとは、下記（１），（２）式によって与えられるものである。

まず、図２に示すように、自車両の現在の軌道と目標軌道とが乖離している状況を想定する。このような想定の下において、目標軌道上に制御したい目標地点Ｐ_ref（ｘ，ｙ）を設定する。ただし、ここでの目標地点Ｐ_ref（ｘ，ｙ）は、絶対座標系Ｏ_-xI,yIにて設定されたものとする。

そして、自車位置Ｏ_vから目標地点Ｐ_refまでの距離をＬ、ｘ軸となす角度をθとする。さらに、目標地点Ｐ_refと自車両の現在の旋回中心Ｏ_Rとの目標旋回半径をＲ、自車位置Ｏ_vと自車両の現在の旋回中心Ｏ_Rとの旋回半径をｒとする。

この場合、自車位置Ｏ_vから目標地点Ｐ_refまでの距離Ｌ及び目標地点Ｐ_ref（ｘ，ｙ）は、下記（３）式，（４）式にて表せる。

ｇ_ｙは、下記（５）式へと変形できる。

さらに、旋回半径が一定でない過渡状態において、車両速度は、（ｅ_ｒ，ｅ_φ）を単位ベクトルとした極座標系で下記（６）式のように表現できる。

すると、オプティカルフローｕを「０」とすることを達成できた場合の条件式は、下記（７）式として求まる。

ここで、旋回半径が十分に大きい場合には、ｄｒ／ｄｔは「０」とみなせるため、上記（７）を下記（８）式へと変形できる。

幾何学的な拘束条件は、余弦定理により下記（９）式にて与えられる。

上記（９）式を変形して整理すると、下記（１０）式となる。

横すべり角βが十分に小さいと仮定すると、下記（１１）式が成立する。

この（１１）式を上記（８）式に代入して整理すると、下記（１２）式となる。

その（１２）式を上記（１０）式に代入すると、下記（１３）式となる。

したがって、オプティカルフローｕを「０」とすることを達成できた場合、自車両の現在の旋回半径ｒは目標旋回半径Ｒに収束することが理解できた。

以上のことから、目標地点Ｐ_refにおける目標旋回半径Ｒに自車両の旋回半径ｒが収束するように、自車両の操舵制御装置（即ち、アクチュエータ３０）を制御することで、自車両を目標地点Ｐ_ref（ｘ，ｙ）まで移動させることが可能となることがわかる。
＜３．目標追従処理＞
次に、制御部４０が実行する目標追従処理について説明する。

この目標追従処理は、当該目標追従処理を起動する起動指令が入力されると、起動され、その後、予め規定された規定時間間隔で繰り返し起動される。なお、ここで言う起動指令とは、例えば、イグニッションスイッチがオンされることを含む。

この目標追従処理は、起動されると、図３に示すように、まず、位置検知部１２にて検知した自車両の現在位置を取得する（Ｓ１１０）。続いて、Ｓ１１０にて取得した現在位置に基づいて、目標地点Ｐ_ref（ｘ，ｙ）を設定する（Ｓ１２０）。このＳ１２０では、例えば、自車両の進行方向に沿って、現在位置から規定距離の地点を目標地点Ｐ_ref（ｘ，ｙ）として設定する。ここで言う規定距離とは、現在位置から、進行方向に沿って、規定された時間後に到達する地点までの距離であっても良い。

さらに、目標追従処理では、自車両の現在の旋回中心Ｏ_Rを算出する（Ｓ１３０）。このＳ１３０においては、例えば、今サイクルのＳ１１０にて取得した自車両の現在位置、及び過去複数回の目標追従処理のＳ１１０にて取得した自車両の現在位置が、定常円上に存在するものと仮定して周知の手法により求めれば良い。

続いて、目標追従処理では、Ｓ１２０にて設定した目標地点Ｐ_ref（ｘ，ｙ）における目標旋回半径Ｒを算出する（Ｓ１４０）。このＳ１４０では、Ｓ１３０にて算出した旋回中心Ｏ_Rと、Ｓ１２０にて設定した目標地点Ｐ_ref（ｘ，ｙ）との距離を目標旋回半径Ｒとして算出すれば良い。

さらに、目標追従処理では、自車両の現在位置における旋回半径ｒを算出する（Ｓ１５０）。このＳ１５０では、Ｓ１３０にて算出した旋回中心Ｏ_Rと、Ｓ１１０にて取得した現在位置との距離を旋回半径ｒとして算出すれば良い。

そして、目標追従処理では、制御指令値として制御舵角δを算出する（Ｓ１６０）。このＳ１６０では、目標地点Ｐ_refにおける目標旋回半径Ｒに自車両の旋回半径ｒが収束するように、制御舵角δを算出する。具体的には、目標旋回半径Ｒと旋回半径ｒとの差分が「０」となるように、その旋回半径ｒと目標旋回半径Ｒとの差分に、制御ゲインＫを乗算することで、制御舵角δを算出しても良いし、その他の方法で制御舵角δを算出しても良い。

さらに、目標追従処理では、Ｓ１６０にて算出した制御舵角δを、アクチュエータ３０（操舵装置）に出力して、ステアリングを制御する（Ｓ１７０）。すなわち、本実施形態のＳ１６０，及びＳ１７０では、特許請求の範囲に記載した追従制御を実行する。

その後、今サイクルにおける目標追従処理を終了し、次の起動タイミングまで待機する。
［実施形態の効果］
以上説明したように、目標追従処理によれば、目標地点Ｐ_refを追従することができる。

特に、目標追従処理にて時間軸に沿って順次設定される目標地点Ｐ_ref（ｘ，ｙ）の中には、凹凸や勾配、摩擦係数が変化する地点も含まれる。
運転支援システム１によれば、このような目標地点Ｐ_ref（ｘ，ｙ）であっても、目標地点Ｐ_refにおける回転半径Ｒに自車両の旋回半径ｒが収束するように、自車両の姿勢を制御できる。この結果、目標追従処理によれば、各目標地点Ｐ_refを通過させることができる。

しかも、本実施形態の目標追従処理において、自車両の旋回半径ｒを目標地点Ｐ_refにおける回転半径Ｒに収束させることは、自車両に発生する横加速度を連続的に制御し、かつ目標軌道へ追従する制御を行うことを意味する。つまり、目標追従処理では、横加速度に連続性を持たせることで、ジャーク（躍度）の変化を抑えることができる。

したがって、運転支援システム１によれば、自車両の乗り心地を向上させることができる。
これらのことから、運転支援システム１によれば、目標への追従性を向上させることができ、自車両の挙動を安定させることができる。したがって、運転支援システム１によれば、自車両の乗員に違和感を与えることを低減できる。
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記実施形態における目標追従処理のＳ１６０では、旋回半径ｒと目標旋回半径Ｒとの差分が「０」となるように、制御舵角δを算出していたが、制御舵角δの算出方法はこれに限るものではない。すなわち、本発明において、旋回半径ｒ及び目標旋回半径Ｒに換えて、それぞれ、曲率１／ｒ，目標曲率１／Ｒを算出し、曲率１／Ｒと曲率１／ｒとの差分が「０」とみなせる範囲である規定範囲内となるように制御舵角δを算出しても良い。

上記実施形態においては、運転支援システム１を搭載する対象を自動車としていたが、本発明において、運転支援システム１を搭載する対象は、自動車に限るものではない。例えば、オートバイや自転車、航空機や、船舶などでも良い。つまり、運転支援システム１が搭載される対象は、移動体であればどのようなものであっても良い。

なお、上記実施形態の構成の一部を、課題を解決できる限りにおいて省略した態様も本発明の実施形態である。また、上記実施形態と変形例とを適宜組み合わせて構成される態様も本発明の実施形態である。また、特許請求の範囲に記載した文言によって特定される発明の本質を逸脱しない限度において考え得るあらゆる態様も本発明の実施形態である。

１…運転支援システム １０…状況検知部 １２…位置検知部 ２０…車両挙動検知部 ２２…車輪速センサ ２４…ヨーレートセンサ ３０…アクチュエータ ４０…制御部

Claims (3)

1. 移動体に搭載される運転支援装置（１）であって、
   前記移動体が移動すべき目標地点Ｐ_refを設定する目標設定手段（４０，Ｓ１２０）と
   、
   前記目標設定手段で設定された目標地点Ｐ_refにおいて、前記移動体の現在の旋回中心Ｏ_Ｒから前記目標地点Ｐ_refまでの距離である距離Ｒに前記移動体の旋回半径ｒが収束するように、前記移動体の姿勢制御系（３０）を制御する制御手段（４０，Ｓ１６０，Ｓ１７０）と
   を備えることを特徴とする運転支援装置。
2. 前記移動体の現在位置Ｏ _ｖ を、予め規定された規定時間間隔で繰り返し取得する位置取得手段（４０，Ｓ１１０）と、
   前記位置取得手段で繰り返し取得した現在位置Ｏ _ｖ に基づいて、前記移動体の現在の旋回中心Ｏ_Rを導出する中心導出手段（４０，Ｓ１３０）と、
   前記中心導出手段で導出した旋回中心Ｏ_Rから前記移動体の現在位置Ｏ _ｖ までの距離を、前記移動体の旋回半径ｒとして導出する旋回半径導出手段（４０，Ｓ１５０）と、
   前記中心導出手段で導出した旋回中心Ｏ_Rから前記目標設定手段で設定した目標地点Ｐ_refまでの距離を、前記目標地点Ｐ_refにおける距離Ｒとして導出する目標半径導出手段（４０，Ｓ１４０）と
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記目標半径導出手段で導出した前記距離Ｒに、前記旋回半径導出手段で導出した前記移動体の旋回半径ｒが収束するように、前記移動体の姿勢制御系を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の運転支援装置。
3. 前記制御手段は、
   前記距離Ｒの逆数である逆数１／Ｒと、前記移動体の旋回半径ｒの逆数である曲率１／ｒとの差分が、「０」とみなせる範囲である規定範囲内となることを、前記目標地点Ｐ_refにおける距離Ｒに、前記移動体の旋回半径ｒが収束することとする
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の運転支援装置。