ファジィ制御装置、レーン走行支援装置、および操舵補助装置
【課題】ファジィルールを合理的に選定する。
【解決手段】ファジィ制御装置は、複数の入力変量に対しファジィ推論を行って出力変量を生成し、生成した出力変量を制御対象に出力して制御するものである。ファジィ推論に利用されるファジィルールは、複数の入力変量に関するリヤプノフ関数Ｖの安定条件を示す条件式ｄＶ／ｄｔ＜０と、複数の入力変量の少なくとも１つの時間微分と出力変量との対応関係を示す関係式とに基づいて選定される。これにより、各入力変量に対応するメンバーシップ関数を２つに減らし、ファジィルールの数を２ｎ（ｎは入力変量の数）に減らすことができる。
【解決手段】ファジィ制御装置は、複数の入力変量に対しファジィ推論を行って出力変量を生成し、生成した出力変量を制御対象に出力して制御するものである。ファジィ推論に利用されるファジィルールは、複数の入力変量に関するリヤプノフ関数Ｖの安定条件を示す条件式ｄＶ／ｄｔ＜０と、複数の入力変量の少なくとも１つの時間微分と出力変量との対応関係を示す関係式とに基づいて選定される。これにより、各入力変量に対応するメンバーシップ関数を２つに減らし、ファジィルールの数を２ｎ（ｎは入力変量の数）に減らすことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の入力変量に対しファジィ推論を行って出力変量を生成し、生成した出力変量を制御対象に出力して制御するファジィ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記ファジィ制御装置の従来例としては、特許文献１に記載のファジィ制御器が挙げられる。該ファジィ制御器は、入力信号を正規化してメンバーシップ関数を形成し、形成したメンバーシップ関数に対してファジィルールを適用して、出力信号に対するメンバーシップ関数を取得し、取得したメンバーシップ関数に基づいて平均値形成を行うことにより、正規化された出力信号を生成している。上記ファジィ制御器を利用することにより、車両の走行動特性および走行状態に影響を与える量をできるだけ最適に閉ループ制御することができる。
【特許文献１】特開平６−２０６５５９号公報（１９９４年７月２６日公開）
【特許文献２】特開２００６−２３６２３８号公報（２００６年９月７日公開）
【特許文献３】特開平５−２０１３４５号公報（１９９３年８月１０日公開）
【特許文献４】特開２００６−３１５６３４号公報（２００６年１１月２４日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ファジィ制御装置は、他の制御方法を用いた制御装置に比べて、簡便な構成になる利点と、ロバスト性に優れる利点とを有している。しかしながら、従来のファジィ制御装置では、ファジールールの選定が、経験および試行錯誤によって行われているため、多大な労力および時間を費やす結果となっていた。
【０００４】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、合理的なファジィルールを用いたファジィ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、リヤプノフ（Lyapunov）の安定条件を利用することにより、ファジィルールを合理的に選定できることを見出した。
【０００６】
すなわち、本発明に係るファジィ制御装置は、複数の入力変量に対しファジィ推論を行って出力変量を生成し、生成した出力変量を制御対象に出力して制御するファジィ制御装置であって、上記ファジィ推論に利用されるファジィルールは、上記複数の入力変量に関するリヤプノフ関数Ｖの安定条件を示す条件式と、上記複数の入力変量の少なくとも１つと上記出力変量との対応関係を示す関係式とに基づいて選定されたものであることを特徴としている。
【０００７】
上記の構成によると、上記関係式を用いて、複数の入力変量に関するリヤプノフ関数Ｖの条件式に出力変量を組み込むことができる。リヤプノフ関数Ｖの条件式は、全ての入力変量が０である場合にＶ＝０であり、それ以外の場合にＶ＞０であり、かつ、入力変量の値に関係なくｄＶ／ｄｔ＝Ｖ′＜０である。したがって、出力変量が組み込まれた条件式を参照することにより、各入力変量が正である場合と負である場合とによって、上記出力変量の正負とその大きさとを規定することができ、ファジィルールを選定することができる。このとき、選定されたファジィルールの数は、入力変量の数をｎとすると、２ｎ以下に抑えることができる。
【０００８】
従って、本発明によると、リヤプノフ関数Ｖの安定条件から、上記複数の入力変量と上記出力変量とが満たすべき条件式を導出し、該条件式を参照してファジィルールを選定しているので、合理的なファジィルールを選定することができる。その結果、ファジィルールの選定のための労力および時間を大幅に軽減することができる。
【０００９】
また、選定されたファジィルールは、各入力変量が正である場合と負である場合とに基づいているため、各入力変量に対応するメンバーシップ関数は、正である場合に対応するものと、負である場合に対応するものとの２つだけでよい。例えば、特許文献３では、２つの入力変数のそれぞれに７つのメンバーシップ関数を導入している。従って、メンバーシップ関数の設定を従来よりも容易に行うことができる。
【００１０】
本発明に係るファジィ制御装置では、上記複数の入力変量は、或る入力変量と、該入力変量の時間積分および時間微分とを含むことが好ましい。この場合、制御対象の変動に良好に追従して制御することができる。
【００１１】
ところで、一般に、入力変量を増加すると、ファジィルールの数を指数関数的に増加させる必要がある。しかしながら、本発明では、入力変量を１つ増加しても、ファジィルールが２倍になる程度であるので、ファジィルールの選定のための労力および時間を従来よりも費やす必要がない。
【００１２】
本発明に係るファジィ制御装置では、上記入力変量および上記出力変量に対応するメンバーシップ関数は、ガウス関数およびシグモイド関数の何れか一方または両方であることが好ましい。この場合、制御対象を、より実態に即して制御することができる。
【００１３】
ところで、従来は、ファジィルールの選定を簡略化するため、メンバーシップ関数として三角型が用いられてきた。これに対し、本発明では、上述のように、ファジィルールの選定のための労力および時間を大幅に軽減できるので、メンバーシップ関数としてガウス関数および／またはシグモイド関数と利用しても、労力および時間を従来よりも費やす必要がない。
【００１４】
なお、本発明のファジィ制御装置は、任意の制御対象に対する制御に適用することができるが、特に、車両の走行を支援する装置に適用することが好ましい。
【００１５】
例えば、車両の操舵を制御する操舵制御手段と、上記車両の走行路面上の走行レーンを検出する走行レーン検出手段とを備え、該走行レーン検出手段が検出した走行レーンに沿って上記車両が走行するように上記操舵制御手段を制御することにより、上記車両の上記走行レーンに沿った走行を支援する車両のレーン走行支援装置であって、上記車両の位置を検知する車両位置検知手段と、上記走行レーン検出手段が検出した走行レーンと、上記車両位置検知手段が検知した車両の位置との距離を算出する距離算出手段と、上記距離算出手段が算出した距離に基づいて操舵調整量を生成する操舵調整量生成手段と、該操舵調整量に基づいて上記操舵制御手段による操舵を調整する操舵調整手段とを備えるレーン走行支援装置における上記操舵調整量生成手段に対して、上記構成のファジィ制御装置を適用することが挙げられる。
【００１６】
また、運転者による車両の操舵を補助する車両の操舵補助装置であって、車両の操舵を制御する操舵制御手段と、上記車両の目標とする軌跡である目標軌跡の情報を、上記車両の動力学モデルを用いて算出する目標軌跡算出手段と、上記車両の位置を検知する車両位置検知手段と、上記目標軌跡算出手段が算出した目標軌跡と、上記車両位置検知手段が検知した車両の位置との距離を算出する距離算出手段と、上記距離算出手段が算出した距離に基づいて操舵調整量を生成する操舵調整量生成手段と、該操舵調整量に基づいて上記操舵制御手段による操舵を調整する操舵調整手段とを備える操舵補助装置における上記操舵調整量生成手段に対して、上記構成のファジィ制御装置を適用することが挙げられる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明に係るファジィ制御装置では、ファジィ推論に利用されるファジィルールが、複数の入力変量に関するリヤプノフ関数Ｖの安定条件を示す条件式ｄＶ／ｄｔ＜０と、上記複数の入力変量の少なくとも１つの時間微分と出力変量との対応関係を示す関係式とに基づいて選定されるので、ファジィルールを合理的に選定できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。図２は、本実施形態の制御システムの概略構成を示している。図示のように、制御システム１０は、設定装置１１、結合点１２、ファジィ制御装置１３、制御対象１４、および検出装置１５を備えるフィードバック制御システムである。なお、本発明は、フィードフォワード制御システムに適用することもできる。
【００１９】
設定装置１１は、結合点１２に対して目標値ｗを出力する。結合点１２は、設定装置１１からの目標値ｗと、検出装置１５が検出した実際値ｙとの偏差ｅを求めてファジィ制御装置１３に出力する。ファジィ制御装置１３は、偏差ｅに基づいて、各種の判断および計算を行って、操作量ｕを求め、求めた操作量ｕを制御対象１４に出力して、制御対象１４を制御する。検出装置１５は、上記制御の結果を示す制御量を検出し、検出した制御量に基づいて実際値ｙを求めて結合点１２に出力する。
【００２０】
図２の制御システム１０は、ファジィ制御装置１３以外の構成要素は、従来のフィードバック制御システムに含まれる構成要素と同様である。
【００２１】
図３は、ファジィ制御装置１３の概略構成を示している。図示のように、ファジィ制御装置１３は、積分器２０、微分器２１、ファジィ化ユニット２２、ファジィ推論ユニット２３、および非ファジィ化ユニット２４を備える構成である。
【００２２】
積分器２０は、入力された偏差ｅの時間積分を行って、ファジィ化ユニット２２に出力する。また、微分器２１は、入力された偏差ｅの時間微分を行って、ファジィ化ユニット２２に出力する。
【００２３】
ファジィ化ユニット２２は、入力された偏差ｅ、偏差ｅの時間積分∫ｅ、および偏差ｅの時間微分ｅ′に対応するメンバーシップ関数を取得する。なお、以下では、偏差ｅの時間積分∫ｅと、偏差ｅの時間微分ｅ′とを、それぞれ単に時間積分∫ｅと時間微分ｅ′と記載する。ファジィ推論ユニット２３は、上記メンバーシップ関数に対してファジィルールを適用し、操作量ｕに対するメンバーシップ関数を求める。非ファジィ化ユニット２４は、操作量ｕに対するメンバーシップ関数に基づいて、操作量ｕを重心法などの公知の方法により生成する。
【００２４】
図１は、ファジィ推論ユニット２３にて利用されるファジィルールを、マンダニ型で示している。本実施形態では、上記ファジィルールは、リヤプノフ安定条件から導出されたものである。以下、ファジィルールの導出方法について説明する。
【００２５】
上述のように、ファジィ化ユニット２２に入力される変数が、偏差ｅ、時間積分∫ｅ、および時間微分ｅ′であるから、リヤプノフ関数Ｖ(ｅ)を次式のように選択する。なお、以下では、偏差ｅの上に１個のドットを付したものは、１階の時間微分ｅ′と同じであり、偏差ｅの上に２個のドットを付したものは、２階の時間微分ｅ″と同じである。他の変数も同様である。
【００２６】
【数１】
【００２７】
リヤプノフの安定条件は、リヤプノフ関数Ｖ(ｅ)が安定であるための条件であり、下記の条件からなる。
〔第１の条件〕：Ｖ(０)＝０
〔第２の条件〕：Ｖ(ｅ)＞０（但し、ｅ≠０）
〔第３の条件〕：Ｖ′(ｅ)＜０
本実施形態では、これらの条件のうち、第３の条件を利用する。上記式（１）から、第３の条件は次式で表される。
【００２８】
【数２】
【００２９】
次に、偏差ｅと操作量ｕとの関係に基づき、上記式（２）に操作量ｕを代入する。例えば、後述の実施例のように、２階の時間微分ｅ″と操作量ｕとが比例関係にある場合、ファジィ推論では、２階の時間微分ｅ″と操作量ｕとを略等しいと扱えるので、次式のように、２階の時間微分ｅ″を操作量ｕに置き換えることができる。
【００３０】
【数３】
【００３１】
上記式（３）を参照すると、偏差ｅ、時間積分∫ｅ、および時間微分ｅ′のそれぞれの正負によって、操作量ｕをどの程度にすべきかが理解できる。例えば、偏差ｅ、時間積分∫ｅ、および時間微分ｅ′が正である場合、上記式（３）の不等号の左辺における第１項および第２項が正となるから、上記式（３）を常に満たすには、第３項が負であり、かつその大きさが大きい必要がある。このとき、時間微分ｅ′が正であるから、操作量ｕは、負であり、かつその大きさが大きい必要がある。
【００３２】
また、偏差ｅおよび時間積分∫ｅが正であり、時間微分ｅ′が負である場合、上記式（３）の不等号の左辺における第１項が正であり、第２項が負となるから、上記式（３）を常に満たすには、第３項が負である必要がある。このとき、時間微分ｅ′が負であるから、操作量ｕは、正である必要がある。また、偏差ｅが正であり、時間積分∫ｅおよび時間微分ｅ′が負である場合、上記式（３）の不等号の左辺における第１項および第２項が負となるから、上記式（３）を常に満たすには、第３項がほぼゼロであればよい。従って、操作量ｕは、ほぼゼロであればよい。
【００３３】
そこで、上記式（３）の偏差ｅ、時間積分∫ｅ、時間微分ｅ′、および操作量ｕのファジィ集合を次式で表現する。ここで、μはメンバーシップ関数であり、μの添え字のｕ，ｐ，ｉ，ｄは、それぞれ操作量ｕ、偏差ｅ、時間積分∫ｅ、および時間微分ｅ′に対応することを示し、μの添え字の＋，−は、それぞれ正および負のメンバーシップ関数であることを示している。
【００３４】
【数４】
【００３５】
上記式（４）のファジィ集合を用いると、上記式（３）から図１に示されるファジィルールを作成することができる。図示のように、リヤプノフの安定条件に基づいてファジィルールを作成すると、ファジィルールの数を、入力変数の正負の組合せ数（本実施形態では、２３＝８）とすることができる。
【００３６】
以上のように、偏差ｅ、時間積分∫ｅ、および時間微分ｅ′に関するリヤプノフ関数Ｖの安定条件の条件式（２）から、偏差ｅ、時間積分∫ｅ、および時間微分ｅ′と操作量ｕとが満たすべき条件式（３）を導出し、該条件式（３）を参照してファジィルールを選定しているので、合理的なファジィルールを選定することができる。その結果、ファジィルールの選定のための労力および時間を大幅に軽減することができる。
【００３７】
また、偏差ｅ、時間積分∫ｅ、および時間微分ｅ′のそれぞれに対応するメンバーシップ関数の数を２つにし、ファジィルールの数を８個に抑えることができるので、メンバーシップ関数の調整およびファジィルールの選定を従来よりも容易に行うことができる。
【００３８】
また、偏差ｅとその時間微分ｅ′だけでなく、偏差ｅの時間積分∫ｅもファジィ化ユニット２２に入力しているので、制御対象へのランプ入力に対しても追従することができる。偏差ｅの時間微分ｅ′および時間積分∫ｅの代わりに、他のセンサからの状態量をファジィ化ユニット２２に入力してもよい。
【００３９】
また、本実施形態では、上記メンバーシップ関数としてガウス関数を利用している。この場合、上記メンバーシップ関数として従来頻繁に利用されている三角型の関数に比べて、より実態に即したファジィ制御を行うことができる。なお、上記三角型の関数をメンバーシップ関数として利用してもよいし、シグモイド関数をメンバーシップ関数として利用してもよい。
【００４０】
具体的には、上記式（４）のメンバーシップ関数は、下記のようになる。
【００４１】
【数５】
【００４２】
ここで、ｃ１〜ｃ６およびｗ１〜ｗ３は、設計によって調整するパラメータである。このうち、パラメータｃ１〜ｃ３は、制御対象１４の性能および仕様によって、概略値を迅速に決定することができる。従って、設計者は、パラメータｃ４〜ｃ６のバランス調整と、パラメータｗ１〜ｗ３の調整とを行えばよく、これは、ＰＩＤ制御装置の設計と同程度である。
【００４３】
また、非ファジィ化ユニット２４における重心法による非ファジィ化は、次式により行われる。
【００４４】
【数６】
【００４５】
〔実施の形態２〕
次に、本発明の別の実施形態について、図４および図５を参照して説明する。本実施形態は、図１〜図３に示す制御システム１０を車両のレーン走行支援システムに適用したものである。
【００４６】
レーン走行支援システムは、車両が走行レーンに沿って走行することを支援するものである。図４は、車両の重心が走行レーンに沿うように車両を走行させることを概略的に示している。同図では、走行レーンが一点鎖線で示され、車両１００の重心ＣＧの軌跡が車両軌跡として破線で示されている。図示の例では、車両１００の重心ＣＧが走行レーンよりも右側に位置しているため、車両１００の走行方向（速度ベクトルｖの向き）を左寄りに操舵すればよい。
【００４７】
図５は、本実施形態のレーン走行支援システムの概略構成を示している。レーン走行支援システム（レーン走行支援装置）１１０は、車両１００に搭載されるものであり、図示のように、車載カメラ１１１、レーン認識演算装置（走行レーン検出手段、車両位置検知手段、距離算出手段）１１２、ＧＰＳ（Global Positioning System）装置（走行レーン検出手段、車両位置検知手段、距離算出手段）１１３、ファジィコントローラ（ファジィ制御装置、操舵調整量生成手段）１１４、操舵角センサ１１５、結合点（操舵調整手段）１１６、および操舵アクチュエータ（操舵制御手段）１１７を備えるフィードバック制御システムである。
【００４８】
車載カメラ１１１は、車両１００の外部の状況を撮影し、撮影した撮影画像（カメラ画像）の情報をレーン認識演算装置１１２に出力する。レーン認識演算装置１１２は、上記撮影画像に基づいて、走行レーンを認識し、ＧＰＳ装置１１３は、車両１００の重心など、車両１００を代表する位置を検出する。レーン認識演算装置１１２およびＧＰＳ装置１１３の何れか一方または両方を用いて、走行レーンの位置に対する車両１００の位置の誤差を示す位置誤差ｅが求められ、ファジィコントローラ１１４に出力される。
【００４９】
ファジィコントローラ１１４は、位置誤差ｅに基づいてファジィ推論を行って、車輪の操舵角δを出力変量として求め、求めた操舵角δを結合点１１６に出力する。本実施形態では、ファジィコントローラ１１４は、図１〜図３に示すファジィ制御装置１３と同様の構成である。
【００５０】
操舵角センサ１１５は、ハンドルの操舵角を検知し、検知した操舵角を結合点１１６に出力する。結合点１１６は、操舵角センサ１１５からのハンドルの操舵角に、ファジィコントローラ１１４からの操舵角δを加算し、加算した操舵角を操舵アクチュエータ１１７に出力する。操舵アクチュエータ１１７は、車輪の操舵角が結合点１１６からの操舵角となるように、車両１００の操舵を制御する。
【００５１】
なお、本実施形態では、カメラによる撮影画像とＧＰＳによる車両の位置とを利用して、位置誤差ｅを取得しているが、レーンマーカを利用するなど、公知の方法を種々利用することができる。しかしながら、近時、ＧＰＳを利用したカーナビゲーションシステムが市販の自動車に普及しており、また最近では、カメラによる撮影画像を用いた運転支援システムが市販の自動車に搭載され始めていることから、カメラおよびＧＰＳを利用して位置誤差ｅを取得することが、現段階では最も望ましい。
【００５２】
また、本実施形態のファジィコントローラ１１４では、上記式（５）のパラメータｗ１〜ｗ３を意図的に大きくすると、走行レーン付近では操舵支援を殆ど行わず、走行レーンから外れるにつれて、強力な操舵支援を行うようにすることができる。すなわち、運転者の機転をきかせた操作に悪影響を及ぼさないようにすることができる。
【００５３】
また、ファジィコントローラ１１４からの操舵角δをそのまま操舵アクチュエータ１１７に出力してもよい。しかしながら、上記実施形態のように、ファジィコントローラ１１４からの操舵角δを、結合点１１６にてハンドルの操舵角と加算して操舵アクチュエータ１１７に出力する方が、何らかの原因で何れかの操舵角が遮断されても、操舵不能となることを回避できる点で望ましい。
【００５４】
〔実施例１〕
次に、本実施形態のレーン走行支援システム１１０を利用した、走行レーンに対する追従性能のシミュレーション結果について、図６〜図９を参照して説明する。なお、特許文献２に記載のレーン走行支援装置の走行レーンに対する追従性能を参考例として挙げている。
【００５５】
まず、次表は、以下で利用されるパラメータとその意味とを示している。また、図６は、本実施例のシミュレーションで利用した車両モデルを示している。この車両モデルは、２ＤＯＦ（自由度）車両モデルである。
【００５６】
【表１】
【００５７】
また、タイヤの数学モデルとしては、Ｍａｇｉｃ ｆｏｒｍｕｌａ型や、Ｆｉａｌａ型などがあるが、本実施例のシミュレーションでは、路面状況の変更を想定しているため、タイヤの構成から導かれるＦｉａｌａ型の円環ビームモデルを利用した。また、車両に対する外乱のモデルとして、本実施例のシミュレーションでは、車両に対して真横から風がかかったとする横風モデルを利用した。
【００５８】
以上から、車両の動力学モデルは次式のようになる。
【００５９】
【数７】
【００６０】
次に、本実施例のシミュレーションで設定したパラメータを説明する。次表は、ファジィコントローラ１１４におけるメンバーシップ関数のパラメータとその設定値とを示している。
【００６１】
【表２】
【００６２】
また、次表は車両モデルのパラメータとその設定値とを示している。なお、この車両モデルは、一般的な自動車を想定しており、重心が前輪よりになっている４輪駆動の自動車である。
【００６３】
【表３】
【００６４】
以上のモデルおよび設定値を利用して、車両の走行レーンに対する追従性能のシミュレーション結果を図７〜図９に示す。図７は、目標軌跡（走行レーン）に対する車両の移動軌跡を示している。
【００６５】
一般的な走行レーンの曲線がクロソイド曲線であることを考慮すると、走行レーンの曲率半径は常に変化していると考えるべきであり、このような変化にも対応できる必要がある。そこで、本実施例のシミュレーションでは、目標軌跡Ｒｒを、Ｒｒ＝１５＋１０×ｃｏｓ(φ／２)（−４π＜φ≦４π）とした。従って、目標軌跡は、最大回転半径が２５ｍ、最小回転半径が５ｍとなる。なお、車両１００は、図面に向かって左回りに旋回し、車両の目標速度は７．５ｍ／ｓとした。
【００６６】
図７において、実線が本実施例の移動軌跡を示しており、破線が参考例の移動軌跡を示している。同図を参照すると、本実施例のレーン走行支援システム１１０により、車両１００が目標軌跡に良好に追従していることが理解できる。
【００６７】
図８は、車両１００の追従誤差（位置誤差）ｅおよび操舵角δの時間変化を示している。同図において、実線が本実施例の時間変化を示しており、破線が参考例の時間変化を示している。また、時間ｔが０〜３０秒では晴天の路面状況とし、３０〜６０秒では雨天の路面状況としている。また、追従誤差ｅは、車両の進行方向に向かって左側（目標軌跡の内側）が正としており、右側（目標軌跡の外側）が負としている。
【００６８】
図８を参照すると、本実施例では、位置誤差ｅのみを状態量として利用しているにもかかわらず、車両１００が、目標軌跡に僅かな追従誤差（外側に１０ｃｍ以内）で追従していることが理解できる。また、路面状況が変化しても、良好に追従していることが理解できる。
【００６９】
一方、参考例では、実施例に比べて追従誤差が大きいことが理解できる。また、参考例では、時間ｔが２０秒付近、すなわち目標軌跡が最小回転半径となる位置を車両１００が通過する時に追従誤差が大きく変動していることが理解できる。また、参考例では、車両モデルのパラメータの設定値を変化させると、上記位置を通過する時に、車両１００がスピンしてしまうことが多かった。
【００７０】
図９は、本実施例における車両１００の追従誤差ｅおよび操舵角δの時間変化を示している。同図では、時間ｔが１５〜２５秒および３５〜４５秒の時に、車両１００に対し１５ｍ／ｓの横風を与えている。図８および図９を比較すると、車両１００が横風を受けても、追従誤差ｅおよび操舵角δが殆ど変化しないことが理解できる。従って、本実施形態のレーン走行支援システム１１０は、ロバスト性に優れていることが理解できる。なお、参考例では、時間ｔが２０秒付近の時に車両１００がスピンしてしまい、測定できなかったため、図９では省略されている。
【００７１】
なお、図には示していないが、図３に示す積分器２０を省略したファジィコントローラ１１４で同様のシミュレーションを行った。この場合、車両１００が目標軌跡に良好に追従できたが、追従誤差ｅが負の方へシフトした。すなわち、車両１００が目標軌跡の略外側を走行することになった。
【００７２】
次に、本実施形態と従来例との考察を行う。特許文献２には、車両の走行路面の傾斜状態を適切に検知し、傾斜状態に左右されることなく、確実に車両のレーン走行支援を行う車両のレーン走行支援装置が開示されている。該レーン走行支援装置は、車両の走行路面の傾斜状態を検知し、傾斜状態に応じて補償操舵量（操舵トルク又は操舵角）を設定し、補償操舵量に基づき操舵制御を修正している。
【００７３】
特許文献２のレーン走行支援装置では、カメラ画像、車速、操舵角、ヨーレイト、および横加速度を利用して、車両の傾斜状態の状態量である走行レーンの位置、該位置の変動速度、ヨー角、およびヨーレイトを検知している。上記カメラ画像、車速、操舵角、ヨーレイト、および横加速度を取得するには、それぞれ、カメラ、車速センサ、操舵角センサ、ヨーレイトセンサ、および横加速度センサを車体に設ける必要がある。
【００７４】
このように、従来のレーン走行支援装置では、車両の状態量を多数把握する必要があり、このため、車両に多数のセンサを設ける必要がある。また、車両の横滑り、荷重変動、空気力学、走行レーンのバンク、路面状況などの状態量によっても車両の挙動が複雑に変化する。このため、車両のレーン走行支援を確実に行うには、上記状態量をも把握する必要があるが、さらに多数のセンサを車両に設ける必要がある。また、車両の横滑りや路面状況などの状態量は測定が困難である。
【００７５】
従って、車両のレーン走行支援を実現するには、ロバスト性に優れ、非線形制御の実現に有効であるファジィ制御を利用することが考えられる。ファジィ制御は、多数の車両制御システムにて利用されている実用的な制御方法ではあるが、レーン走行支援装置に適用された例は知られていない。これは、従来のファジィルールの選定が、経験および試行錯誤によって行われているため、多大な労力および時間を必要とすることが一因として考えられる。
【００７６】
例えば、ファジィ制御を用いた運転支援装置として、特許文献３には後輪舵角制御装置が開示されている。該後輪舵角制御装置では、メンバーシップ関数として、単純かつ調節容易な三角型を利用している。また、車速および前輪舵角に対して７つのメンバーシップ関数（負で大、負で中、負で小、ゼロ、正で小、正で中、および正で大）が用意され、設定モードに対して３つのメンバーシップ関数が用意され、操舵速度に対して２つのメンバーシップ関数が用意されている。このため、同文献では、ファジィルールを７２×３×２＝２９４個選定している。
【００７７】
従って、特許文献３に記載のファジィ制御を、特許文献２に記載のレーン走行支援装置に適用した場合、利用している状態量が４つであるため、各状態量に７つのメンバーシップ関数を用意すると、ファジィルールを７４＝２０４１個選定する必要がある。このような莫大な数のファジィルールを技術者が選定することは事実上不可能に近い。
【００７８】
一方、本実施形態のファジィコントローラ１１４では、ファジィ推論に利用される入力変量が、位置誤差ｅと、その時間積分および時間微分との３つである。しかしながら、本実施形態では、上述のようにリヤプノフの安定条件を用いてファジィルールを選定しているため、各入力変量に２つのメンバーシップ関数を用意すればよく、ファジィルールを２３＝８個選定すればよい。従って、技術者は、メンバーシップ関数を容易に用意でき、ファジィルールを容易に選定することができる。また、メンバーシップ関数を容易に用意できるので、メンバーシップ関数としてガウス関数および／またはシグモイド関数を利用しても、メンバーシップ関数のパラメータを容易に調整することができる。
【００７９】
〔実施の形態３〕
次に、本発明の他の実施形態について、図１０および図１１を参照して説明する。本実施形態は、図１〜図３に示す制御システム１０を車両の操舵支援システムに適用したものである。
【００８０】
一般に、自動車は、駆動方式などの車両特性と路面状態などの環境とによって、車両の旋回がオーバステアになったり、アンダーステアになったりするなど、車両の挙動が変化する。そこで、従来の操舵支援は、車速、操舵速度などの状態量に基づいて補助モータおよび／または可変ギア機構を制御して操舵トルクを変更し、車両の挙動を安定化させるパワーステアリングが行われていた。また、最近では、車速、ヨーレイトなどから、車両のステアリング特性を判定し、判定した特性に応じて操舵輪の補正回転角を導出する車両用操舵装置が提案され、例えば特許文献４に記載されている。
【００８１】
しかしながら、上述のように、車両の状態を完全に把握することは困難であるため、特許文献４に記載の車両用操舵装置では、オーバステアであるか否かと、アンダーステアであるか否かとを判定しているのみである。従って、オーバステアおよびアンダーステアの度合を評価する方法や、該評価に基づいて操舵を支援する具体的な方法は未だ知られていない。
【００８２】
そこで、本願発明者らは、車両１００の動力学モデルから理想的な車両軌跡を算出し、これを目標軌跡として、該目標軌跡と実際の車両軌跡との誤差からオーバステアおよびアンダーステアの度合を評価できることを見出した。そして、目標軌跡と車両軌跡との誤差に基づいて、運転者のステアリング操作によるハンドル操舵角を補正することにより、車両軌跡を目標軌跡に近づける操舵支援システムを案出した。
【００８３】
図１０は、車両１００の重心ＣＧの軌跡である車両軌跡が目標軌跡に沿うように車両を走行させることを概略的に示している。同図では、目標軌跡が破線で示され、車両軌跡が実線で示されている。図示の例では、車両軌跡が目標軌跡よりも右側に位置しているため、車両１００の走行方向（速度ベクトルｖの向き）を左寄りに操舵すればよい。
【００８４】
図１１は、本実施形態の操舵支援システムの概略構成を示している。本実施形態の操舵支援システム（操舵補助装置）１２０は、図５に示すレーン走行支援システム１１０に比べて、目標位置算出装置（目標軌跡算出手段）１２１および結合点（距離算出手段）１２２を追加した点と、レーン認識演算装置１１２およびＧＰＳ装置１１３の何れか一方または両方が、車両１００の位置情報を結合点１２２に出力する点とが異なり、その他の構成は同様である。なお、上記実施形態で説明した構成と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００８５】
目標位置算出装置１２１は、上記式（７）に示すような車両１００の動力学モデルを利用して、操舵角センサ１１５からのハンドルの操舵角から、上記目標軌跡上の位置である目標位置を算出し、算出した目標位置の情報を結合点１２２に出力する。結合点１２２は、目標位置算出装置１２１からの目標位置と、レーン認識演算装置１１２および／またはＧＰＳ装置１１３からの車両１００の位置との誤差ｅを求めてファジィコントローラ１１４に出力する。
【００８６】
本実施形態の操舵支援システム１２０は、上記実施形態に記載の作用効果を奏すると共に、さらに下記の作用効果を奏する。すなわち、本実施形態の操舵支援システム１２０は、ハンドルの操舵角を補正するものであり、操舵トルクに影響を与えないため、他のパワーステアリング装置と併用することもできる。
【００８７】
ところで、前後輪のコーナリングの力が等しい場合、ニュートラルステアとなり、理想的な走行軌跡（目標軌跡）となる。従って、本実施形態の操舵支援システム１２０は、車両１００が常にニュートラルステアとなるべく、操舵支援を行っている。しかしながら、走行状態や運転者の判断によってバランスを変更し、アンダーステアやオーバステアに変更することにより、運転者が運転を楽しむようにすることもできる。
【００８８】
また、現段階では実用化されていないが、車体横滑り角βを検知するセンサを設けることができれば、誤差ｅは、ｅ＝βｍ−β（但し、βｍは目標とする車体横滑り角である）とすることができる。
【００８９】
〔実施例２〕
次に、本実施形態の操舵支援システム１２０を利用した操舵支援のシミュレーション結果について、図１２および図１３を参照して説明する。なお、本実施例のシミュレーションで設定したパラメータは、図６〜図９に示す実施例と同様である。図１２は、目標軌跡に対する車両１００の移動軌跡を示している。
【００９０】
一般的な車両１００の方向転換がクロソイド曲線であることを考慮すると、車両１００の旋回の曲率半径は常に変化していると考えるべきであり、このような変化にも対応できる必要がある。そこで、本実施例のシミュレーションでは、目標操舵角δｒを、δｒ＝０．１１５×（１＋ｃｏｓ(１．１１５×ｔ)）とした。なお、車両１００は、図面に向かって左回りに旋回し、車両の目標速度は７．５ｍ／ｓとした。
【００９１】
図１２を参照すると、本実施例の操舵支援システム１２０により、車両１００が目標軌跡に良好に追従していることが理解できる。図１３は、本実施例における車両１００の追従誤差ｅおよび操舵角δの時間変化を示している。同図では、時間ｔが１５〜２５秒および３５〜４５秒の時に、車両１００に対し１５ｍ／ｓの横風を与えている。
【００９２】
図１３を参照すると、本実施例では、追従誤差ｅのみを状態量として利用しているにもかかわらず、車両１００が、目標軌跡にごく僅かの誤差（ミリ単位）で追従していることが理解できる。また、ファジィコントローラ１１４からの操舵角δが、車両１００の旋回状況に応じて適切に変化しているので、操舵支援を適切に行っていることが理解できる。また、車両１００が横風を受けても、追従誤差ｅおよび操舵角δが殆ど変化しないことが理解できる。従って、本実施形態の操舵支援システム１２０は、ロバスト性に優れていることが理解できる。
【００９３】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００９４】
例えば、上記実施形態では、ファジィ推論を利用して、位置の誤差ｅから操舵角δを求めて操舵を制御することにより、走行レーンへの追従または操舵支援を行っているが、さらに、速度の誤差ｅｖから駆動・制動力Ｆｘを求めて駆動・制動機構を制御することにより、走行レーンへの追従または操舵支援を行ってもよい。
【００９５】
図１４は、図５に示すレーン走行支援システム１１０に対し、速度の誤差ｅｖから駆動・制動力Ｆｘを求めて車両１００の駆動・制動機構（図示せず）を制御するファジィ速度コントローラ１３０を追加した構成を示している。また、図１５は、図１１に示す操舵支援システム１２０に対し、上記構成のファジィ速度コントローラ１３０を追加した構成を示している。
【００９６】
図１４および図１５に示すように、ファジィ速度コントローラ１３０は、ファジィコントローラ１１４から独立して設けることができるので、各コントローラ１１４・１３０の設計を別々に行うことができる。その結果、コントローラ１１４・１３０の設計効率を向上させることができる。なお、図１５の場合、目標位置算出装置１２１は、目標操舵角δｒだけでなく、目標速度ｖｒに基づいて、目標位置を算出することが望ましい。
【００９７】
最後に、制御システム１０、レーン走行支援システム１１０、および操舵支援システム１２０の各ブロック、特にファジィ制御装置１３およびファジィコントローラ１１４は、ハードウェアロジックによって構成してもよいし、次のようにＣＰＵを用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【００９８】
すなわち、制御システム１０、レーン走行支援システム１１０、および操舵支援システム１２０は、各機能を実現する制御プログラムの命令を実行するＣＰＵ（central processing unit）、上記プログラムを格納したＲＯＭ（read only memory）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（random access memory）、上記プログラムおよび各種データを格納するメモリ等の記憶装置（記録媒体）などを備えている。そして、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウェアである制御システム１０、レーン走行支援システム１１０、および操舵支援システム１２０の制御プログラムのプログラムコード（実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム）をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、上記制御システム１０、レーン走行支援システム１１０、および操舵支援システム１２０に供給し、そのコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。
【００９９】
上記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー（登録商標）ディスク／ハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ等の光ディスクを含むディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ／ＥＰＲＯＭ／ＥＥＰＲＯＭ／フラッシュＲＯＭ等の半導体メモリ系などを用いることができる。
【０１００】
また、制御システム１０、レーン走行支援システム１１０、および操舵支援システム１２０を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを通信ネットワークを介して供給してもよい。この通信ネットワークとしては、特に限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、ＬＡＮ、ＩＳＤＮ、ＶＡＮ、ＣＡＴＶ通信網、仮想専用網（virtual private network）、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、例えば、ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、電力線搬送、ケーブルＴＶ回線、電話線、ＡＤＳＬ回線等の有線でも、ＩｒＤＡやリモコンのような赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、８０２．１１無線、ＨＤＲ、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、上記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された、搬送波に埋め込まれたコンピュータデータ信号の形態でも実現され得る。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明に係るファジィ制御装置は、車両の走行支援以外にも、複数の入力変量に基づいて出力変量を求めて制御する任意の制御装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の一実施形態である制御システムにおいて利用されるファジィルールを示す図である。
【図２】上記制御システムの概略構成を示すブロック図である。
【図３】上記制御システムにおけるファジィ制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図４】車両の重心が走行レーンに沿うように車両を走行させることを概略的に示す図である。
【図５】本発明の別の実施形態であるレーン走行支援システムの概略構成を示すブロック図である。
【図６】車両モデルを示す図である。
【図７】上記レーン走行支援システムによる走行レーンに対する車両の移動軌跡を示すグラフである。
【図８】上記レーン走行支援システムによる車両の位置誤差および操舵角の時間変化を示すグラフである。
【図９】上記レーン走行支援システムによる車両の位置誤差および操舵角の時間変化を示すグラフである。
【図１０】車両軌跡が目標軌跡に沿うように車両を走行させることを概略的に示す図である。
【図１１】本発明の他の実施形態である操舵支援システムの概略構成を示すブロック図である。
【図１２】上記操舵支援システムによる目標軌跡に対する車両の移動軌跡を示すグラフである。
【図１３】上記操舵支援システムによる車両の追従誤差および操舵角の時間変化を示すグラフである。
【図１４】上記レーン走行支援システムにファジィ速度コントローラを追加した構成を示すブロック図である。
【図１５】上記操舵支援システムにファジィ速度コントローラを追加した構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１０ 制御システム
１１ 設定装置
１２ 結合点
１３ ファジィ制御装置
１４ 制御対象
１５ 検出装置
２０ 積分器
２１ 微分器
２２ ファジィ化ユニット
２３ ファジィ推論ユニット
２４ 非ファジィ化ユニット
１００ 車両
１１０ レーン走行支援システム（レーン走行支援装置）
１１１ 車載カメラ
１１２ レーン認識演算装置（走行レーン検出手段、車両位置検知手段、距離算出手段）
１１３ ＧＰＳ装置（車両位置検知手段、車両位置検知手段、距離算出手段）
１１４ ファジィコントローラ（ファジィ制御装置、操舵調整量生成手段）
１１５ 操舵角センサ
１１６ 結合点（操舵調整手段）
１１７ 操舵アクチュエータ（操舵制御手段）
１２０ 操舵支援システム（操舵補助装置）
１２１ 目標位置算出装置（目標軌跡算出手段）
１２２ 結合点（距離算出手段）
１３０ ファジィ速度コントローラ
Ｖ リヤプノフ関数
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の入力変量に対しファジィ推論を行って出力変量を生成し、生成した出力変量を制御対象に出力して制御するファジィ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記ファジィ制御装置の従来例としては、特許文献１に記載のファジィ制御器が挙げられる。該ファジィ制御器は、入力信号を正規化してメンバーシップ関数を形成し、形成したメンバーシップ関数に対してファジィルールを適用して、出力信号に対するメンバーシップ関数を取得し、取得したメンバーシップ関数に基づいて平均値形成を行うことにより、正規化された出力信号を生成している。上記ファジィ制御器を利用することにより、車両の走行動特性および走行状態に影響を与える量をできるだけ最適に閉ループ制御することができる。
【特許文献１】特開平６−２０６５５９号公報（１９９４年７月２６日公開）
【特許文献２】特開２００６−２３６２３８号公報（２００６年９月７日公開）
【特許文献３】特開平５−２０１３４５号公報（１９９３年８月１０日公開）
【特許文献４】特開２００６−３１５６３４号公報（２００６年１１月２４日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ファジィ制御装置は、他の制御方法を用いた制御装置に比べて、簡便な構成になる利点と、ロバスト性に優れる利点とを有している。しかしながら、従来のファジィ制御装置では、ファジールールの選定が、経験および試行錯誤によって行われているため、多大な労力および時間を費やす結果となっていた。
【０００４】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、合理的なファジィルールを用いたファジィ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、リヤプノフ（Lyapunov）の安定条件を利用することにより、ファジィルールを合理的に選定できることを見出した。
【０００６】
すなわち、本発明に係るファジィ制御装置は、複数の入力変量に対しファジィ推論を行って出力変量を生成し、生成した出力変量を制御対象に出力して制御するファジィ制御装置であって、上記ファジィ推論に利用されるファジィルールは、上記複数の入力変量に関するリヤプノフ関数Ｖの安定条件を示す条件式と、上記複数の入力変量の少なくとも１つと上記出力変量との対応関係を示す関係式とに基づいて選定されたものであることを特徴としている。
【０００７】
上記の構成によると、上記関係式を用いて、複数の入力変量に関するリヤプノフ関数Ｖの条件式に出力変量を組み込むことができる。リヤプノフ関数Ｖの条件式は、全ての入力変量が０である場合にＶ＝０であり、それ以外の場合にＶ＞０であり、かつ、入力変量の値に関係なくｄＶ／ｄｔ＝Ｖ′＜０である。したがって、出力変量が組み込まれた条件式を参照することにより、各入力変量が正である場合と負である場合とによって、上記出力変量の正負とその大きさとを規定することができ、ファジィルールを選定することができる。このとき、選定されたファジィルールの数は、入力変量の数をｎとすると、２ｎ以下に抑えることができる。
【０００８】
従って、本発明によると、リヤプノフ関数Ｖの安定条件から、上記複数の入力変量と上記出力変量とが満たすべき条件式を導出し、該条件式を参照してファジィルールを選定しているので、合理的なファジィルールを選定することができる。その結果、ファジィルールの選定のための労力および時間を大幅に軽減することができる。
【０００９】
また、選定されたファジィルールは、各入力変量が正である場合と負である場合とに基づいているため、各入力変量に対応するメンバーシップ関数は、正である場合に対応するものと、負である場合に対応するものとの２つだけでよい。例えば、特許文献３では、２つの入力変数のそれぞれに７つのメンバーシップ関数を導入している。従って、メンバーシップ関数の設定を従来よりも容易に行うことができる。
【００１０】
本発明に係るファジィ制御装置では、上記複数の入力変量は、或る入力変量と、該入力変量の時間積分および時間微分とを含むことが好ましい。この場合、制御対象の変動に良好に追従して制御することができる。
【００１１】
ところで、一般に、入力変量を増加すると、ファジィルールの数を指数関数的に増加させる必要がある。しかしながら、本発明では、入力変量を１つ増加しても、ファジィルールが２倍になる程度であるので、ファジィルールの選定のための労力および時間を従来よりも費やす必要がない。
【００１２】
本発明に係るファジィ制御装置では、上記入力変量および上記出力変量に対応するメンバーシップ関数は、ガウス関数およびシグモイド関数の何れか一方または両方であることが好ましい。この場合、制御対象を、より実態に即して制御することができる。
【００１３】
ところで、従来は、ファジィルールの選定を簡略化するため、メンバーシップ関数として三角型が用いられてきた。これに対し、本発明では、上述のように、ファジィルールの選定のための労力および時間を大幅に軽減できるので、メンバーシップ関数としてガウス関数および／またはシグモイド関数と利用しても、労力および時間を従来よりも費やす必要がない。
【００１４】
なお、本発明のファジィ制御装置は、任意の制御対象に対する制御に適用することができるが、特に、車両の走行を支援する装置に適用することが好ましい。
【００１５】
例えば、車両の操舵を制御する操舵制御手段と、上記車両の走行路面上の走行レーンを検出する走行レーン検出手段とを備え、該走行レーン検出手段が検出した走行レーンに沿って上記車両が走行するように上記操舵制御手段を制御することにより、上記車両の上記走行レーンに沿った走行を支援する車両のレーン走行支援装置であって、上記車両の位置を検知する車両位置検知手段と、上記走行レーン検出手段が検出した走行レーンと、上記車両位置検知手段が検知した車両の位置との距離を算出する距離算出手段と、上記距離算出手段が算出した距離に基づいて操舵調整量を生成する操舵調整量生成手段と、該操舵調整量に基づいて上記操舵制御手段による操舵を調整する操舵調整手段とを備えるレーン走行支援装置における上記操舵調整量生成手段に対して、上記構成のファジィ制御装置を適用することが挙げられる。
【００１６】
また、運転者による車両の操舵を補助する車両の操舵補助装置であって、車両の操舵を制御する操舵制御手段と、上記車両の目標とする軌跡である目標軌跡の情報を、上記車両の動力学モデルを用いて算出する目標軌跡算出手段と、上記車両の位置を検知する車両位置検知手段と、上記目標軌跡算出手段が算出した目標軌跡と、上記車両位置検知手段が検知した車両の位置との距離を算出する距離算出手段と、上記距離算出手段が算出した距離に基づいて操舵調整量を生成する操舵調整量生成手段と、該操舵調整量に基づいて上記操舵制御手段による操舵を調整する操舵調整手段とを備える操舵補助装置における上記操舵調整量生成手段に対して、上記構成のファジィ制御装置を適用することが挙げられる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明に係るファジィ制御装置では、ファジィ推論に利用されるファジィルールが、複数の入力変量に関するリヤプノフ関数Ｖの安定条件を示す条件式ｄＶ／ｄｔ＜０と、上記複数の入力変量の少なくとも１つの時間微分と出力変量との対応関係を示す関係式とに基づいて選定されるので、ファジィルールを合理的に選定できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。図２は、本実施形態の制御システムの概略構成を示している。図示のように、制御システム１０は、設定装置１１、結合点１２、ファジィ制御装置１３、制御対象１４、および検出装置１５を備えるフィードバック制御システムである。なお、本発明は、フィードフォワード制御システムに適用することもできる。
【００１９】
設定装置１１は、結合点１２に対して目標値ｗを出力する。結合点１２は、設定装置１１からの目標値ｗと、検出装置１５が検出した実際値ｙとの偏差ｅを求めてファジィ制御装置１３に出力する。ファジィ制御装置１３は、偏差ｅに基づいて、各種の判断および計算を行って、操作量ｕを求め、求めた操作量ｕを制御対象１４に出力して、制御対象１４を制御する。検出装置１５は、上記制御の結果を示す制御量を検出し、検出した制御量に基づいて実際値ｙを求めて結合点１２に出力する。
【００２０】
図２の制御システム１０は、ファジィ制御装置１３以外の構成要素は、従来のフィードバック制御システムに含まれる構成要素と同様である。
【００２１】
図３は、ファジィ制御装置１３の概略構成を示している。図示のように、ファジィ制御装置１３は、積分器２０、微分器２１、ファジィ化ユニット２２、ファジィ推論ユニット２３、および非ファジィ化ユニット２４を備える構成である。
【００２２】
積分器２０は、入力された偏差ｅの時間積分を行って、ファジィ化ユニット２２に出力する。また、微分器２１は、入力された偏差ｅの時間微分を行って、ファジィ化ユニット２２に出力する。
【００２３】
ファジィ化ユニット２２は、入力された偏差ｅ、偏差ｅの時間積分∫ｅ、および偏差ｅの時間微分ｅ′に対応するメンバーシップ関数を取得する。なお、以下では、偏差ｅの時間積分∫ｅと、偏差ｅの時間微分ｅ′とを、それぞれ単に時間積分∫ｅと時間微分ｅ′と記載する。ファジィ推論ユニット２３は、上記メンバーシップ関数に対してファジィルールを適用し、操作量ｕに対するメンバーシップ関数を求める。非ファジィ化ユニット２４は、操作量ｕに対するメンバーシップ関数に基づいて、操作量ｕを重心法などの公知の方法により生成する。
【００２４】
図１は、ファジィ推論ユニット２３にて利用されるファジィルールを、マンダニ型で示している。本実施形態では、上記ファジィルールは、リヤプノフ安定条件から導出されたものである。以下、ファジィルールの導出方法について説明する。
【００２５】
上述のように、ファジィ化ユニット２２に入力される変数が、偏差ｅ、時間積分∫ｅ、および時間微分ｅ′であるから、リヤプノフ関数Ｖ(ｅ)を次式のように選択する。なお、以下では、偏差ｅの上に１個のドットを付したものは、１階の時間微分ｅ′と同じであり、偏差ｅの上に２個のドットを付したものは、２階の時間微分ｅ″と同じである。他の変数も同様である。
【００２６】
【数１】
【００２７】
リヤプノフの安定条件は、リヤプノフ関数Ｖ(ｅ)が安定であるための条件であり、下記の条件からなる。
〔第１の条件〕：Ｖ(０)＝０
〔第２の条件〕：Ｖ(ｅ)＞０（但し、ｅ≠０）
〔第３の条件〕：Ｖ′(ｅ)＜０
本実施形態では、これらの条件のうち、第３の条件を利用する。上記式（１）から、第３の条件は次式で表される。
【００２８】
【数２】
【００２９】
次に、偏差ｅと操作量ｕとの関係に基づき、上記式（２）に操作量ｕを代入する。例えば、後述の実施例のように、２階の時間微分ｅ″と操作量ｕとが比例関係にある場合、ファジィ推論では、２階の時間微分ｅ″と操作量ｕとを略等しいと扱えるので、次式のように、２階の時間微分ｅ″を操作量ｕに置き換えることができる。
【００３０】
【数３】
【００３１】
上記式（３）を参照すると、偏差ｅ、時間積分∫ｅ、および時間微分ｅ′のそれぞれの正負によって、操作量ｕをどの程度にすべきかが理解できる。例えば、偏差ｅ、時間積分∫ｅ、および時間微分ｅ′が正である場合、上記式（３）の不等号の左辺における第１項および第２項が正となるから、上記式（３）を常に満たすには、第３項が負であり、かつその大きさが大きい必要がある。このとき、時間微分ｅ′が正であるから、操作量ｕは、負であり、かつその大きさが大きい必要がある。
【００３２】
また、偏差ｅおよび時間積分∫ｅが正であり、時間微分ｅ′が負である場合、上記式（３）の不等号の左辺における第１項が正であり、第２項が負となるから、上記式（３）を常に満たすには、第３項が負である必要がある。このとき、時間微分ｅ′が負であるから、操作量ｕは、正である必要がある。また、偏差ｅが正であり、時間積分∫ｅおよび時間微分ｅ′が負である場合、上記式（３）の不等号の左辺における第１項および第２項が負となるから、上記式（３）を常に満たすには、第３項がほぼゼロであればよい。従って、操作量ｕは、ほぼゼロであればよい。
【００３３】
そこで、上記式（３）の偏差ｅ、時間積分∫ｅ、時間微分ｅ′、および操作量ｕのファジィ集合を次式で表現する。ここで、μはメンバーシップ関数であり、μの添え字のｕ，ｐ，ｉ，ｄは、それぞれ操作量ｕ、偏差ｅ、時間積分∫ｅ、および時間微分ｅ′に対応することを示し、μの添え字の＋，−は、それぞれ正および負のメンバーシップ関数であることを示している。
【００３４】
【数４】
【００３５】
上記式（４）のファジィ集合を用いると、上記式（３）から図１に示されるファジィルールを作成することができる。図示のように、リヤプノフの安定条件に基づいてファジィルールを作成すると、ファジィルールの数を、入力変数の正負の組合せ数（本実施形態では、２３＝８）とすることができる。
【００３６】
以上のように、偏差ｅ、時間積分∫ｅ、および時間微分ｅ′に関するリヤプノフ関数Ｖの安定条件の条件式（２）から、偏差ｅ、時間積分∫ｅ、および時間微分ｅ′と操作量ｕとが満たすべき条件式（３）を導出し、該条件式（３）を参照してファジィルールを選定しているので、合理的なファジィルールを選定することができる。その結果、ファジィルールの選定のための労力および時間を大幅に軽減することができる。
【００３７】
また、偏差ｅ、時間積分∫ｅ、および時間微分ｅ′のそれぞれに対応するメンバーシップ関数の数を２つにし、ファジィルールの数を８個に抑えることができるので、メンバーシップ関数の調整およびファジィルールの選定を従来よりも容易に行うことができる。
【００３８】
また、偏差ｅとその時間微分ｅ′だけでなく、偏差ｅの時間積分∫ｅもファジィ化ユニット２２に入力しているので、制御対象へのランプ入力に対しても追従することができる。偏差ｅの時間微分ｅ′および時間積分∫ｅの代わりに、他のセンサからの状態量をファジィ化ユニット２２に入力してもよい。
【００３９】
また、本実施形態では、上記メンバーシップ関数としてガウス関数を利用している。この場合、上記メンバーシップ関数として従来頻繁に利用されている三角型の関数に比べて、より実態に即したファジィ制御を行うことができる。なお、上記三角型の関数をメンバーシップ関数として利用してもよいし、シグモイド関数をメンバーシップ関数として利用してもよい。
【００４０】
具体的には、上記式（４）のメンバーシップ関数は、下記のようになる。
【００４１】
【数５】
【００４２】
ここで、ｃ１〜ｃ６およびｗ１〜ｗ３は、設計によって調整するパラメータである。このうち、パラメータｃ１〜ｃ３は、制御対象１４の性能および仕様によって、概略値を迅速に決定することができる。従って、設計者は、パラメータｃ４〜ｃ６のバランス調整と、パラメータｗ１〜ｗ３の調整とを行えばよく、これは、ＰＩＤ制御装置の設計と同程度である。
【００４３】
また、非ファジィ化ユニット２４における重心法による非ファジィ化は、次式により行われる。
【００４４】
【数６】
【００４５】
〔実施の形態２〕
次に、本発明の別の実施形態について、図４および図５を参照して説明する。本実施形態は、図１〜図３に示す制御システム１０を車両のレーン走行支援システムに適用したものである。
【００４６】
レーン走行支援システムは、車両が走行レーンに沿って走行することを支援するものである。図４は、車両の重心が走行レーンに沿うように車両を走行させることを概略的に示している。同図では、走行レーンが一点鎖線で示され、車両１００の重心ＣＧの軌跡が車両軌跡として破線で示されている。図示の例では、車両１００の重心ＣＧが走行レーンよりも右側に位置しているため、車両１００の走行方向（速度ベクトルｖの向き）を左寄りに操舵すればよい。
【００４７】
図５は、本実施形態のレーン走行支援システムの概略構成を示している。レーン走行支援システム（レーン走行支援装置）１１０は、車両１００に搭載されるものであり、図示のように、車載カメラ１１１、レーン認識演算装置（走行レーン検出手段、車両位置検知手段、距離算出手段）１１２、ＧＰＳ（Global Positioning System）装置（走行レーン検出手段、車両位置検知手段、距離算出手段）１１３、ファジィコントローラ（ファジィ制御装置、操舵調整量生成手段）１１４、操舵角センサ１１５、結合点（操舵調整手段）１１６、および操舵アクチュエータ（操舵制御手段）１１７を備えるフィードバック制御システムである。
【００４８】
車載カメラ１１１は、車両１００の外部の状況を撮影し、撮影した撮影画像（カメラ画像）の情報をレーン認識演算装置１１２に出力する。レーン認識演算装置１１２は、上記撮影画像に基づいて、走行レーンを認識し、ＧＰＳ装置１１３は、車両１００の重心など、車両１００を代表する位置を検出する。レーン認識演算装置１１２およびＧＰＳ装置１１３の何れか一方または両方を用いて、走行レーンの位置に対する車両１００の位置の誤差を示す位置誤差ｅが求められ、ファジィコントローラ１１４に出力される。
【００４９】
ファジィコントローラ１１４は、位置誤差ｅに基づいてファジィ推論を行って、車輪の操舵角δを出力変量として求め、求めた操舵角δを結合点１１６に出力する。本実施形態では、ファジィコントローラ１１４は、図１〜図３に示すファジィ制御装置１３と同様の構成である。
【００５０】
操舵角センサ１１５は、ハンドルの操舵角を検知し、検知した操舵角を結合点１１６に出力する。結合点１１６は、操舵角センサ１１５からのハンドルの操舵角に、ファジィコントローラ１１４からの操舵角δを加算し、加算した操舵角を操舵アクチュエータ１１７に出力する。操舵アクチュエータ１１７は、車輪の操舵角が結合点１１６からの操舵角となるように、車両１００の操舵を制御する。
【００５１】
なお、本実施形態では、カメラによる撮影画像とＧＰＳによる車両の位置とを利用して、位置誤差ｅを取得しているが、レーンマーカを利用するなど、公知の方法を種々利用することができる。しかしながら、近時、ＧＰＳを利用したカーナビゲーションシステムが市販の自動車に普及しており、また最近では、カメラによる撮影画像を用いた運転支援システムが市販の自動車に搭載され始めていることから、カメラおよびＧＰＳを利用して位置誤差ｅを取得することが、現段階では最も望ましい。
【００５２】
また、本実施形態のファジィコントローラ１１４では、上記式（５）のパラメータｗ１〜ｗ３を意図的に大きくすると、走行レーン付近では操舵支援を殆ど行わず、走行レーンから外れるにつれて、強力な操舵支援を行うようにすることができる。すなわち、運転者の機転をきかせた操作に悪影響を及ぼさないようにすることができる。
【００５３】
また、ファジィコントローラ１１４からの操舵角δをそのまま操舵アクチュエータ１１７に出力してもよい。しかしながら、上記実施形態のように、ファジィコントローラ１１４からの操舵角δを、結合点１１６にてハンドルの操舵角と加算して操舵アクチュエータ１１７に出力する方が、何らかの原因で何れかの操舵角が遮断されても、操舵不能となることを回避できる点で望ましい。
【００５４】
〔実施例１〕
次に、本実施形態のレーン走行支援システム１１０を利用した、走行レーンに対する追従性能のシミュレーション結果について、図６〜図９を参照して説明する。なお、特許文献２に記載のレーン走行支援装置の走行レーンに対する追従性能を参考例として挙げている。
【００５５】
まず、次表は、以下で利用されるパラメータとその意味とを示している。また、図６は、本実施例のシミュレーションで利用した車両モデルを示している。この車両モデルは、２ＤＯＦ（自由度）車両モデルである。
【００５６】
【表１】
【００５７】
また、タイヤの数学モデルとしては、Ｍａｇｉｃ ｆｏｒｍｕｌａ型や、Ｆｉａｌａ型などがあるが、本実施例のシミュレーションでは、路面状況の変更を想定しているため、タイヤの構成から導かれるＦｉａｌａ型の円環ビームモデルを利用した。また、車両に対する外乱のモデルとして、本実施例のシミュレーションでは、車両に対して真横から風がかかったとする横風モデルを利用した。
【００５８】
以上から、車両の動力学モデルは次式のようになる。
【００５９】
【数７】
【００６０】
次に、本実施例のシミュレーションで設定したパラメータを説明する。次表は、ファジィコントローラ１１４におけるメンバーシップ関数のパラメータとその設定値とを示している。
【００６１】
【表２】
【００６２】
また、次表は車両モデルのパラメータとその設定値とを示している。なお、この車両モデルは、一般的な自動車を想定しており、重心が前輪よりになっている４輪駆動の自動車である。
【００６３】
【表３】
【００６４】
以上のモデルおよび設定値を利用して、車両の走行レーンに対する追従性能のシミュレーション結果を図７〜図９に示す。図７は、目標軌跡（走行レーン）に対する車両の移動軌跡を示している。
【００６５】
一般的な走行レーンの曲線がクロソイド曲線であることを考慮すると、走行レーンの曲率半径は常に変化していると考えるべきであり、このような変化にも対応できる必要がある。そこで、本実施例のシミュレーションでは、目標軌跡Ｒｒを、Ｒｒ＝１５＋１０×ｃｏｓ(φ／２)（−４π＜φ≦４π）とした。従って、目標軌跡は、最大回転半径が２５ｍ、最小回転半径が５ｍとなる。なお、車両１００は、図面に向かって左回りに旋回し、車両の目標速度は７．５ｍ／ｓとした。
【００６６】
図７において、実線が本実施例の移動軌跡を示しており、破線が参考例の移動軌跡を示している。同図を参照すると、本実施例のレーン走行支援システム１１０により、車両１００が目標軌跡に良好に追従していることが理解できる。
【００６７】
図８は、車両１００の追従誤差（位置誤差）ｅおよび操舵角δの時間変化を示している。同図において、実線が本実施例の時間変化を示しており、破線が参考例の時間変化を示している。また、時間ｔが０〜３０秒では晴天の路面状況とし、３０〜６０秒では雨天の路面状況としている。また、追従誤差ｅは、車両の進行方向に向かって左側（目標軌跡の内側）が正としており、右側（目標軌跡の外側）が負としている。
【００６８】
図８を参照すると、本実施例では、位置誤差ｅのみを状態量として利用しているにもかかわらず、車両１００が、目標軌跡に僅かな追従誤差（外側に１０ｃｍ以内）で追従していることが理解できる。また、路面状況が変化しても、良好に追従していることが理解できる。
【００６９】
一方、参考例では、実施例に比べて追従誤差が大きいことが理解できる。また、参考例では、時間ｔが２０秒付近、すなわち目標軌跡が最小回転半径となる位置を車両１００が通過する時に追従誤差が大きく変動していることが理解できる。また、参考例では、車両モデルのパラメータの設定値を変化させると、上記位置を通過する時に、車両１００がスピンしてしまうことが多かった。
【００７０】
図９は、本実施例における車両１００の追従誤差ｅおよび操舵角δの時間変化を示している。同図では、時間ｔが１５〜２５秒および３５〜４５秒の時に、車両１００に対し１５ｍ／ｓの横風を与えている。図８および図９を比較すると、車両１００が横風を受けても、追従誤差ｅおよび操舵角δが殆ど変化しないことが理解できる。従って、本実施形態のレーン走行支援システム１１０は、ロバスト性に優れていることが理解できる。なお、参考例では、時間ｔが２０秒付近の時に車両１００がスピンしてしまい、測定できなかったため、図９では省略されている。
【００７１】
なお、図には示していないが、図３に示す積分器２０を省略したファジィコントローラ１１４で同様のシミュレーションを行った。この場合、車両１００が目標軌跡に良好に追従できたが、追従誤差ｅが負の方へシフトした。すなわち、車両１００が目標軌跡の略外側を走行することになった。
【００７２】
次に、本実施形態と従来例との考察を行う。特許文献２には、車両の走行路面の傾斜状態を適切に検知し、傾斜状態に左右されることなく、確実に車両のレーン走行支援を行う車両のレーン走行支援装置が開示されている。該レーン走行支援装置は、車両の走行路面の傾斜状態を検知し、傾斜状態に応じて補償操舵量（操舵トルク又は操舵角）を設定し、補償操舵量に基づき操舵制御を修正している。
【００７３】
特許文献２のレーン走行支援装置では、カメラ画像、車速、操舵角、ヨーレイト、および横加速度を利用して、車両の傾斜状態の状態量である走行レーンの位置、該位置の変動速度、ヨー角、およびヨーレイトを検知している。上記カメラ画像、車速、操舵角、ヨーレイト、および横加速度を取得するには、それぞれ、カメラ、車速センサ、操舵角センサ、ヨーレイトセンサ、および横加速度センサを車体に設ける必要がある。
【００７４】
このように、従来のレーン走行支援装置では、車両の状態量を多数把握する必要があり、このため、車両に多数のセンサを設ける必要がある。また、車両の横滑り、荷重変動、空気力学、走行レーンのバンク、路面状況などの状態量によっても車両の挙動が複雑に変化する。このため、車両のレーン走行支援を確実に行うには、上記状態量をも把握する必要があるが、さらに多数のセンサを車両に設ける必要がある。また、車両の横滑りや路面状況などの状態量は測定が困難である。
【００７５】
従って、車両のレーン走行支援を実現するには、ロバスト性に優れ、非線形制御の実現に有効であるファジィ制御を利用することが考えられる。ファジィ制御は、多数の車両制御システムにて利用されている実用的な制御方法ではあるが、レーン走行支援装置に適用された例は知られていない。これは、従来のファジィルールの選定が、経験および試行錯誤によって行われているため、多大な労力および時間を必要とすることが一因として考えられる。
【００７６】
例えば、ファジィ制御を用いた運転支援装置として、特許文献３には後輪舵角制御装置が開示されている。該後輪舵角制御装置では、メンバーシップ関数として、単純かつ調節容易な三角型を利用している。また、車速および前輪舵角に対して７つのメンバーシップ関数（負で大、負で中、負で小、ゼロ、正で小、正で中、および正で大）が用意され、設定モードに対して３つのメンバーシップ関数が用意され、操舵速度に対して２つのメンバーシップ関数が用意されている。このため、同文献では、ファジィルールを７２×３×２＝２９４個選定している。
【００７７】
従って、特許文献３に記載のファジィ制御を、特許文献２に記載のレーン走行支援装置に適用した場合、利用している状態量が４つであるため、各状態量に７つのメンバーシップ関数を用意すると、ファジィルールを７４＝２０４１個選定する必要がある。このような莫大な数のファジィルールを技術者が選定することは事実上不可能に近い。
【００７８】
一方、本実施形態のファジィコントローラ１１４では、ファジィ推論に利用される入力変量が、位置誤差ｅと、その時間積分および時間微分との３つである。しかしながら、本実施形態では、上述のようにリヤプノフの安定条件を用いてファジィルールを選定しているため、各入力変量に２つのメンバーシップ関数を用意すればよく、ファジィルールを２３＝８個選定すればよい。従って、技術者は、メンバーシップ関数を容易に用意でき、ファジィルールを容易に選定することができる。また、メンバーシップ関数を容易に用意できるので、メンバーシップ関数としてガウス関数および／またはシグモイド関数を利用しても、メンバーシップ関数のパラメータを容易に調整することができる。
【００７９】
〔実施の形態３〕
次に、本発明の他の実施形態について、図１０および図１１を参照して説明する。本実施形態は、図１〜図３に示す制御システム１０を車両の操舵支援システムに適用したものである。
【００８０】
一般に、自動車は、駆動方式などの車両特性と路面状態などの環境とによって、車両の旋回がオーバステアになったり、アンダーステアになったりするなど、車両の挙動が変化する。そこで、従来の操舵支援は、車速、操舵速度などの状態量に基づいて補助モータおよび／または可変ギア機構を制御して操舵トルクを変更し、車両の挙動を安定化させるパワーステアリングが行われていた。また、最近では、車速、ヨーレイトなどから、車両のステアリング特性を判定し、判定した特性に応じて操舵輪の補正回転角を導出する車両用操舵装置が提案され、例えば特許文献４に記載されている。
【００８１】
しかしながら、上述のように、車両の状態を完全に把握することは困難であるため、特許文献４に記載の車両用操舵装置では、オーバステアであるか否かと、アンダーステアであるか否かとを判定しているのみである。従って、オーバステアおよびアンダーステアの度合を評価する方法や、該評価に基づいて操舵を支援する具体的な方法は未だ知られていない。
【００８２】
そこで、本願発明者らは、車両１００の動力学モデルから理想的な車両軌跡を算出し、これを目標軌跡として、該目標軌跡と実際の車両軌跡との誤差からオーバステアおよびアンダーステアの度合を評価できることを見出した。そして、目標軌跡と車両軌跡との誤差に基づいて、運転者のステアリング操作によるハンドル操舵角を補正することにより、車両軌跡を目標軌跡に近づける操舵支援システムを案出した。
【００８３】
図１０は、車両１００の重心ＣＧの軌跡である車両軌跡が目標軌跡に沿うように車両を走行させることを概略的に示している。同図では、目標軌跡が破線で示され、車両軌跡が実線で示されている。図示の例では、車両軌跡が目標軌跡よりも右側に位置しているため、車両１００の走行方向（速度ベクトルｖの向き）を左寄りに操舵すればよい。
【００８４】
図１１は、本実施形態の操舵支援システムの概略構成を示している。本実施形態の操舵支援システム（操舵補助装置）１２０は、図５に示すレーン走行支援システム１１０に比べて、目標位置算出装置（目標軌跡算出手段）１２１および結合点（距離算出手段）１２２を追加した点と、レーン認識演算装置１１２およびＧＰＳ装置１１３の何れか一方または両方が、車両１００の位置情報を結合点１２２に出力する点とが異なり、その他の構成は同様である。なお、上記実施形態で説明した構成と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００８５】
目標位置算出装置１２１は、上記式（７）に示すような車両１００の動力学モデルを利用して、操舵角センサ１１５からのハンドルの操舵角から、上記目標軌跡上の位置である目標位置を算出し、算出した目標位置の情報を結合点１２２に出力する。結合点１２２は、目標位置算出装置１２１からの目標位置と、レーン認識演算装置１１２および／またはＧＰＳ装置１１３からの車両１００の位置との誤差ｅを求めてファジィコントローラ１１４に出力する。
【００８６】
本実施形態の操舵支援システム１２０は、上記実施形態に記載の作用効果を奏すると共に、さらに下記の作用効果を奏する。すなわち、本実施形態の操舵支援システム１２０は、ハンドルの操舵角を補正するものであり、操舵トルクに影響を与えないため、他のパワーステアリング装置と併用することもできる。
【００８７】
ところで、前後輪のコーナリングの力が等しい場合、ニュートラルステアとなり、理想的な走行軌跡（目標軌跡）となる。従って、本実施形態の操舵支援システム１２０は、車両１００が常にニュートラルステアとなるべく、操舵支援を行っている。しかしながら、走行状態や運転者の判断によってバランスを変更し、アンダーステアやオーバステアに変更することにより、運転者が運転を楽しむようにすることもできる。
【００８８】
また、現段階では実用化されていないが、車体横滑り角βを検知するセンサを設けることができれば、誤差ｅは、ｅ＝βｍ−β（但し、βｍは目標とする車体横滑り角である）とすることができる。
【００８９】
〔実施例２〕
次に、本実施形態の操舵支援システム１２０を利用した操舵支援のシミュレーション結果について、図１２および図１３を参照して説明する。なお、本実施例のシミュレーションで設定したパラメータは、図６〜図９に示す実施例と同様である。図１２は、目標軌跡に対する車両１００の移動軌跡を示している。
【００９０】
一般的な車両１００の方向転換がクロソイド曲線であることを考慮すると、車両１００の旋回の曲率半径は常に変化していると考えるべきであり、このような変化にも対応できる必要がある。そこで、本実施例のシミュレーションでは、目標操舵角δｒを、δｒ＝０．１１５×（１＋ｃｏｓ(１．１１５×ｔ)）とした。なお、車両１００は、図面に向かって左回りに旋回し、車両の目標速度は７．５ｍ／ｓとした。
【００９１】
図１２を参照すると、本実施例の操舵支援システム１２０により、車両１００が目標軌跡に良好に追従していることが理解できる。図１３は、本実施例における車両１００の追従誤差ｅおよび操舵角δの時間変化を示している。同図では、時間ｔが１５〜２５秒および３５〜４５秒の時に、車両１００に対し１５ｍ／ｓの横風を与えている。
【００９２】
図１３を参照すると、本実施例では、追従誤差ｅのみを状態量として利用しているにもかかわらず、車両１００が、目標軌跡にごく僅かの誤差（ミリ単位）で追従していることが理解できる。また、ファジィコントローラ１１４からの操舵角δが、車両１００の旋回状況に応じて適切に変化しているので、操舵支援を適切に行っていることが理解できる。また、車両１００が横風を受けても、追従誤差ｅおよび操舵角δが殆ど変化しないことが理解できる。従って、本実施形態の操舵支援システム１２０は、ロバスト性に優れていることが理解できる。
【００９３】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００９４】
例えば、上記実施形態では、ファジィ推論を利用して、位置の誤差ｅから操舵角δを求めて操舵を制御することにより、走行レーンへの追従または操舵支援を行っているが、さらに、速度の誤差ｅｖから駆動・制動力Ｆｘを求めて駆動・制動機構を制御することにより、走行レーンへの追従または操舵支援を行ってもよい。
【００９５】
図１４は、図５に示すレーン走行支援システム１１０に対し、速度の誤差ｅｖから駆動・制動力Ｆｘを求めて車両１００の駆動・制動機構（図示せず）を制御するファジィ速度コントローラ１３０を追加した構成を示している。また、図１５は、図１１に示す操舵支援システム１２０に対し、上記構成のファジィ速度コントローラ１３０を追加した構成を示している。
【００９６】
図１４および図１５に示すように、ファジィ速度コントローラ１３０は、ファジィコントローラ１１４から独立して設けることができるので、各コントローラ１１４・１３０の設計を別々に行うことができる。その結果、コントローラ１１４・１３０の設計効率を向上させることができる。なお、図１５の場合、目標位置算出装置１２１は、目標操舵角δｒだけでなく、目標速度ｖｒに基づいて、目標位置を算出することが望ましい。
【００９７】
最後に、制御システム１０、レーン走行支援システム１１０、および操舵支援システム１２０の各ブロック、特にファジィ制御装置１３およびファジィコントローラ１１４は、ハードウェアロジックによって構成してもよいし、次のようにＣＰＵを用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【００９８】
すなわち、制御システム１０、レーン走行支援システム１１０、および操舵支援システム１２０は、各機能を実現する制御プログラムの命令を実行するＣＰＵ（central processing unit）、上記プログラムを格納したＲＯＭ（read only memory）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（random access memory）、上記プログラムおよび各種データを格納するメモリ等の記憶装置（記録媒体）などを備えている。そして、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウェアである制御システム１０、レーン走行支援システム１１０、および操舵支援システム１２０の制御プログラムのプログラムコード（実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム）をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、上記制御システム１０、レーン走行支援システム１１０、および操舵支援システム１２０に供給し、そのコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。
【００９９】
上記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー（登録商標）ディスク／ハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ等の光ディスクを含むディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ／ＥＰＲＯＭ／ＥＥＰＲＯＭ／フラッシュＲＯＭ等の半導体メモリ系などを用いることができる。
【０１００】
また、制御システム１０、レーン走行支援システム１１０、および操舵支援システム１２０を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを通信ネットワークを介して供給してもよい。この通信ネットワークとしては、特に限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、ＬＡＮ、ＩＳＤＮ、ＶＡＮ、ＣＡＴＶ通信網、仮想専用網（virtual private network）、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、例えば、ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、電力線搬送、ケーブルＴＶ回線、電話線、ＡＤＳＬ回線等の有線でも、ＩｒＤＡやリモコンのような赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、８０２．１１無線、ＨＤＲ、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、上記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された、搬送波に埋め込まれたコンピュータデータ信号の形態でも実現され得る。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明に係るファジィ制御装置は、車両の走行支援以外にも、複数の入力変量に基づいて出力変量を求めて制御する任意の制御装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の一実施形態である制御システムにおいて利用されるファジィルールを示す図である。
【図２】上記制御システムの概略構成を示すブロック図である。
【図３】上記制御システムにおけるファジィ制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図４】車両の重心が走行レーンに沿うように車両を走行させることを概略的に示す図である。
【図５】本発明の別の実施形態であるレーン走行支援システムの概略構成を示すブロック図である。
【図６】車両モデルを示す図である。
【図７】上記レーン走行支援システムによる走行レーンに対する車両の移動軌跡を示すグラフである。
【図８】上記レーン走行支援システムによる車両の位置誤差および操舵角の時間変化を示すグラフである。
【図９】上記レーン走行支援システムによる車両の位置誤差および操舵角の時間変化を示すグラフである。
【図１０】車両軌跡が目標軌跡に沿うように車両を走行させることを概略的に示す図である。
【図１１】本発明の他の実施形態である操舵支援システムの概略構成を示すブロック図である。
【図１２】上記操舵支援システムによる目標軌跡に対する車両の移動軌跡を示すグラフである。
【図１３】上記操舵支援システムによる車両の追従誤差および操舵角の時間変化を示すグラフである。
【図１４】上記レーン走行支援システムにファジィ速度コントローラを追加した構成を示すブロック図である。
【図１５】上記操舵支援システムにファジィ速度コントローラを追加した構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１０ 制御システム
１１ 設定装置
１２ 結合点
１３ ファジィ制御装置
１４ 制御対象
１５ 検出装置
２０ 積分器
２１ 微分器
２２ ファジィ化ユニット
２３ ファジィ推論ユニット
２４ 非ファジィ化ユニット
１００ 車両
１１０ レーン走行支援システム（レーン走行支援装置）
１１１ 車載カメラ
１１２ レーン認識演算装置（走行レーン検出手段、車両位置検知手段、距離算出手段）
１１３ ＧＰＳ装置（車両位置検知手段、車両位置検知手段、距離算出手段）
１１４ ファジィコントローラ（ファジィ制御装置、操舵調整量生成手段）
１１５ 操舵角センサ
１１６ 結合点（操舵調整手段）
１１７ 操舵アクチュエータ（操舵制御手段）
１２０ 操舵支援システム（操舵補助装置）
１２１ 目標位置算出装置（目標軌跡算出手段）
１２２ 結合点（距離算出手段）
１３０ ファジィ速度コントローラ
Ｖ リヤプノフ関数
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入力変量に対しファジィ推論を行って出力変量を生成し、生成した出力変量を制御対象に出力して制御するファジィ制御装置であって、
上記ファジィ推論に利用されるファジィルールは、上記複数の入力変量に関するリヤプノフ関数Ｖの安定条件を示す条件式と、上記複数の入力変量の少なくとも１つと上記出力変量との対応関係を示す関係式とに基づいて選定されたものであることを特徴とするファジィ制御装置。
【請求項２】
複数の入力変量に対しファジィ推論を行って出力変量を生成し、生成した出力変量を制御対象に出力して制御するファジィ制御装置であって、
各入力変量に対応するメンバーシップ関数は２つであり、ファジィルールの数は２ｎ（但し、ｎは入力変量の数）であることを特徴とするファジィ制御装置。
【請求項３】
上記複数の入力変量は、或る入力変量と、該入力変量の時間積分および時間微分とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のファジィ制御装置。
【請求項４】
上記入力変量および上記出力変量に対応するメンバーシップ関数は、ガウス関数およびシグモイド関数の何れか一方または両方であることを特徴とする請求項１または２に記載のファジィ制御装置。
【請求項５】
車両の操舵を制御する操舵制御手段と、上記車両の走行路面上の走行レーンを検出する走行レーン検出手段とを備え、該走行レーン検出手段が検出した走行レーンに沿って上記車両が走行するように上記操舵制御手段を制御することにより、上記車両の上記走行レーンに沿った走行を支援する車両のレーン走行支援装置であって、
上記車両の位置を検知する車両位置検知手段と、
上記走行レーン検出手段が検出した走行レーンと、上記車両位置検知手段が検知した車両の位置との距離を算出する距離算出手段と、
上記距離算出手段が算出した距離に基づいて操舵調整量を生成する操舵調整量生成手段と、
該操舵調整量に基づいて上記操舵制御手段による操舵を調整する操舵調整手段とを備えており、
上記操舵調整量生成手段は、請求項１ないし４の何れか１項に記載のファジィ制御装置であることを特徴とするレーン走行支援装置。
【請求項６】
運転者による車両の操舵を補助する車両の操舵補助装置であって、
車両の操舵を制御する操舵制御手段と、
上記車両の目標とする軌跡である目標軌跡の情報を、上記車両の動力学モデルを用いて算出する目標軌跡算出手段と、
上記車両の位置を検知する車両位置検知手段と、
上記目標軌跡算出手段が算出した目標軌跡と、上記車両位置検知手段が検知した車両の位置との距離を算出する距離算出手段と、
上記距離算出手段が算出した距離に基づいて操舵調整量を生成する操舵調整量生成手段と、
該操舵調整量に基づいて上記操舵制御手段による操舵を調整する操舵調整手段とを備えており、
上記操舵調整量生成手段は、請求項１ないし４の何れか１項に記載のファジィ制御装置であることを特徴とする操舵補助装置。
【請求項１】
複数の入力変量に対しファジィ推論を行って出力変量を生成し、生成した出力変量を制御対象に出力して制御するファジィ制御装置であって、
上記ファジィ推論に利用されるファジィルールは、上記複数の入力変量に関するリヤプノフ関数Ｖの安定条件を示す条件式と、上記複数の入力変量の少なくとも１つと上記出力変量との対応関係を示す関係式とに基づいて選定されたものであることを特徴とするファジィ制御装置。
【請求項２】
複数の入力変量に対しファジィ推論を行って出力変量を生成し、生成した出力変量を制御対象に出力して制御するファジィ制御装置であって、
各入力変量に対応するメンバーシップ関数は２つであり、ファジィルールの数は２ｎ（但し、ｎは入力変量の数）であることを特徴とするファジィ制御装置。
【請求項３】
上記複数の入力変量は、或る入力変量と、該入力変量の時間積分および時間微分とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のファジィ制御装置。
【請求項４】
上記入力変量および上記出力変量に対応するメンバーシップ関数は、ガウス関数およびシグモイド関数の何れか一方または両方であることを特徴とする請求項１または２に記載のファジィ制御装置。
【請求項５】
車両の操舵を制御する操舵制御手段と、上記車両の走行路面上の走行レーンを検出する走行レーン検出手段とを備え、該走行レーン検出手段が検出した走行レーンに沿って上記車両が走行するように上記操舵制御手段を制御することにより、上記車両の上記走行レーンに沿った走行を支援する車両のレーン走行支援装置であって、
上記車両の位置を検知する車両位置検知手段と、
上記走行レーン検出手段が検出した走行レーンと、上記車両位置検知手段が検知した車両の位置との距離を算出する距離算出手段と、
上記距離算出手段が算出した距離に基づいて操舵調整量を生成する操舵調整量生成手段と、
該操舵調整量に基づいて上記操舵制御手段による操舵を調整する操舵調整手段とを備えており、
上記操舵調整量生成手段は、請求項１ないし４の何れか１項に記載のファジィ制御装置であることを特徴とするレーン走行支援装置。
【請求項６】
運転者による車両の操舵を補助する車両の操舵補助装置であって、
車両の操舵を制御する操舵制御手段と、
上記車両の目標とする軌跡である目標軌跡の情報を、上記車両の動力学モデルを用いて算出する目標軌跡算出手段と、
上記車両の位置を検知する車両位置検知手段と、
上記目標軌跡算出手段が算出した目標軌跡と、上記車両位置検知手段が検知した車両の位置との距離を算出する距離算出手段と、
上記距離算出手段が算出した距離に基づいて操舵調整量を生成する操舵調整量生成手段と、
該操舵調整量に基づいて上記操舵制御手段による操舵を調整する操舵調整手段とを備えており、
上記操舵調整量生成手段は、請求項１ないし４の何れか１項に記載のファジィ制御装置であることを特徴とする操舵補助装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００８−１９７８４８（Ｐ２００８−１９７８４８Ａ）
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１３４５（Ｐ２００７−３１３４５）
【出願日】平成１９年２月９日（２００７．２．９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り
【出願人】（５９９０３５６２７）学校法人加計学園 (43)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月９日（２００７．２．９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り
【出願人】（５９９０３５６２７）学校法人加計学園 (43)
【Ｆターム（参考）】
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