JP2010501413A - 車両の運転操作のための衝突防止軌道を計算する方法 - Google Patents

車両の運転操作のための衝突防止軌道を計算する方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、走行中に自動車(1)に接近する少なくとも1つの障害物(11)を避けるための、車両、特に自動車(1)の運転操作のための衝突防止軌道(13)を計算する方法に関する。自動車(1)の横方向速度が、自動車(1)の縦方向速度に関係なく計算の際に考慮される。

Description

本発明は、特許請求の範囲に記載の請求項1の概念に基づく、車両の運転操作のための衝突防止軌道を計算する方法に関する。本発明は、車両のための衝突防止方法にも関する。さらに、本発明は、この種の方法を実現するまたは実行するための、コンピュータプログラム、コンピュータプログラム製品、および装置に関する。
独国特許出願公開第10 2004 056 120号明細書は、自動車が障害物、特に先行車両に接近する走行の間に衝突を防止する方法、または、衝突による影響を軽減する方法に関する。その際、当方法では、少なくとも、車両と障害物との間の相対速度が算出され、衝突を防止する回避操作の最も遅い開始までの残り時間を回避時間として算出し、衝突を防止する動作、または衝突による影響を軽減する動作を、算出された回避時間に従って行う。
特に、ロボット工学では、軌道計画のための異なる方法が公知である。軌道計画を基にして、ロボットは、衝突することなく一群の障害物を縫って移動することが可能である。その際には、操縦者および車両にも関わっている。移動は、2次元または3次元空間で行なうことが可能である。
実務においては、停止している障害物のみ考慮する方法が公知である。更なる別の方法においては、移動する障害物も考慮に入れることが可能である。「ロードマップ手法」は、検出された障害物の全頂点を互いに繋ぎ、全可能な経路に関するグラフを作成する。このグラフを基にして、障害物が存在する環境を通過する際の経路を計算することが可能である。この種の処理方法は、例えば、米国特許出願公開第2005/0192749号明細書に開示されている。さらに、衝突のない区域と衝突する区域とに環境全体を分け、選択した衝突のない区域を、存在する障害物を縫って通る衝突のない経路へと繋ぐ方法が公知である。しかし、この種の方法は、停止している障害物のために適している。
さらに、障害物に割り当てられた仮想力に基づく方法がある。全障害物がロボットに対して反発する作用を有し、かつ、時点がロボットに対して引きつける作用を有する場合に、電場に類似したポテンシャル場が形成されうる。ポテンシャル場によって、障害物を縫って通る経路が、場の勾配に比例する、加算された合力を基に計算される。経路が各目下の時点での結果的に生じる、場の合力から生じるので、この原則は、障害物が移動しているか否かに依存しない。従って、この種の方法は、同じ規模で、移動する障害物および移動しない障害物のために利用可能である。独国特許出願公開第42
07 001号明細書に記載されるロボット案内装置は、各ノードが走行可能な環境内での離散した個別の位置を示すようなノード、を有する抵抗格子と、ノード間の接続と、を利用する。開回路の場合、ノード間の接続は、ロボットが走行可能な経路に沿って走行しようと試みる際にエラーにつながり、走行可能な環境内での障害物との衝突を招く可能性がある。
走行中に車両に接近する少なくとも1つの障害物を避けるための、車両、特に自動車の運転操作のための衝突防止軌道を計算する方法であって、その際、自動車の横方向速度が、自動車の縦方向速度に関係なく計算の際に考慮される、衝突防止軌道を計算する方法は、車両、特に自動車のための、または、交通状況に典型的なモデルのための車両に類似した移動ロボットのための、非常に効果的で簡単で迅速な軌道計算を可能にする。本発明にかかる方法は、典型的に、横方向速度よりも明らかに速い縦方向速度が支配的な交通モデルに特に適している。従って、有利に、軌道計画は、既知として想定可能な縦方向速度から生じる縦方向位置が分かっている際の、横方向位置の計算に縮小される。従って、本来の2次元の経路計画を1次元に縮小することが可能であり、明らかな簡素化、および、より迅速な計算に繋がる。
従って、停止した障害物および移動する障害物のための、2次元空間での自車両の軌道を計算することが可能であり、典型的な道路交通のモデル、および、典型的な道路交通での障害物の配置、に適した方法が提案される。次元を制限することによって、非常に効果的かつ簡単に軌道を計算することが可能である。しかし、基本的に、更なる別の次元への拡張が構想可能である。縦速度と比べて比較的小さい、横または横方向の速度の想定によって、非常に良好な近似において縦運動と横運動とが分離される。従って、比較的容易に、衝突することなく潜在的な障害物の傍を通過する軌道を見つけることが可能である。このことは、通過場所および通過時点が、車両の既知の縦速度を基に決定され、この通過場所での可能な到達可能横方向位置が計算されることによって、実現可能である。
特許請求の範囲に記載の請求項10には、車両、特に自動車の衝突防止方法が示されている。
本発明にかかる方法を実行するための、プログラムコード手段を有するコンピュータプログラム、または、コンピュータ読み取り可能なデータ媒体に格納されたプログラムコード手段を有する、コンピュータプログラム製品が、特許請求項の範囲に記載の請求項11または請求項12に示されている。
特許請求の範囲に記載の請求項13は、本発明にかかる方法を実行するための、車両、特に自動車の装置、特に、運転者支援システムに関する。
車両の運転操作のための衝突防止軌道を計算するための本発明にかかる方法、または、車両、特に自動車の衝突防止のための本発明にかかる方法は、特に、車両、特に自動車の運転者支援システムの制御装置上のコンピュータプログラムとして実現されている。その際、他の解決策も当然のことながら考慮の対象となる。そのために、コンピュータプログラムは、制御装置の記憶素子内に格納されている。制御装置のマイプロプロセッサ上での駆動により、本方法が実行される。コンピュータプログラムは、コンピュータ読み取り可能なデータ媒体上に(ディスク、CD、DVD、フロッピィディスク、USBメモリ、メモリカード等)、または、インターネット・サーバ上にコンピュータプログラム製品として格納されており、そこから制御装置の記憶素子へと伝送することが可能である。
本発明の有利な実施形態および発展形態は、特許請求の範囲に記載の従属請求項から明らかとなろう。以下では、図に基づいて、本発明の実施形態が基本原則に従って記載される。
本発明にかかる方法が実現されている車両を非常に簡単に示す。 車両の横方向位置yに対する横方向速度vの依存関係を簡単に示す。 車両の横方向位置yに依存する横方向速度vの増加を簡単に示す。 障害物により複数回限定される、車両の到達可能な横方向位置yの発展を簡単に示す。 本発明にかかる方法における禁止区域および通過ゲートを簡単に示す。 衝突防止軌道を記載するための、節点を含む走行経路を示す。
以下では、車両の運転操作のための衝突防止軌道13(図6参照)を計算する発明にかかる方法が、車両1(図1参照)を基に記載される。記載されない更なる別の実施形態において、対応した変更を施した上で、当然のことながら車両に類似した移動ロボット等の他の車両も、本発明にかかる方法が実現可能であることが予想される。
図1には、自動車1が示されている。自動車1では、自動車1の走行中に接近する少なくとも1つの障害物11(図5参照)を避けるための、自動車1の運転操作のための衝突防止軌道13を計算する方法が実現されている。それに基づいて、運転者支援システム2として構成された本発明にかかる方法を実行するための装置は、障害物11を避ける際に運転者を支援することが可能であり、衝突が目前に迫る際に自車両1の周りにある障害物11が何ものとも衝突しないより安全な軌道13へと、自動的または半自動的に運転者を案内することが可能である。このことは、一方では対応する警告の表示によって、または、他方では、特定の制動力上昇に対する修正制動介入を用いる、もしくは、自動車1の示されない操舵システムに対する対応する操舵介入を用いる、運転者支援システム2の積極的な介入によって行なわれる。自動車1は、自動車1の前方の交通状況を計測技術的に検出するための検出装置3aと、自動車1の後方の交通状況を検出するための検出装置3bと、を有する。検出装置3a、3bは、レーダ、カメラ、レーザスキャナ等の環境検出センサとして構成可能である。検出装置3a、3bは、評価装置4と接続している。評価装置4によって、検出装置3a、3bのセンサ信号に基づいて、先行もしくは後続の対象物もしくは障害物11の間隔、速度、または加速度等の値を求め、追跡することが可能である。さらに、自動車1は、例えば、自身の車両速度、自身の加速度、道路の想定される摩擦値、ブレーキ操作、ステアリングホイール操作、または操舵角等の、自動車1の車両データを算出するための手段5を有している。手段5は、例えば、電子制御式安定性制御プログラム(ESP)または操舵システム等の、示されない他の車両システム内にも設けることが可能である。制御装置6は、評価装置4を介して検出装置3a、3bと電子的に接続されており、接続を介して、先行する障害物11または後に続く障害物11についてのデータを獲得する。さらに、制御装置6は、車両データを算出するための手段5と電子的に接続されている。すなわち、制御装置6は、手段5から、または、自動車1のCANバスを介して、他の車両システム、特に(図示されない)車両力学システムから、対応する車両データを獲得する。運転者支援システム2の枠組みにおいて、制御装置6では、本発明にかかる、自動車1のための衝突防止方法が実行される。その際、走行中に障害物11が接近する際に、自動的または半自動的に避けるための、車両1の運転操作が実行される、または、警告装置を介して運転者または更なる別の車両システムに提案される。運転操作自体は、本発明にかかる計算方法により算出される軌道13に基づいている。その際、自動車1の横方向速度vが、自動車1の縦方向速度に関係なく計算の際に考慮される。縦速度または縦方向速度vと、横速度または横方向速度vと、を分離することによって、横方向オフセットΔyが、時間間隔Δtのための以下の方程式(a)により記載される。
Figure 2010501413
次の障害物11の最大で到達可能な横方向位置Δyを計算するために、最大加速度aを想定する必要がある一方、以前の障害物11の速度vも利用する必要がある。一次元の運動方程式は、時間間隔Δtの間の横方向位置yおよび横方向速度vに関して以下のとおりになる。(yおよびvは、計算の開始時、すなわち各始点での、横方向位置および横方向速度を示している。)
Figure 2010501413
方程式(b)、(c)を互いに利用し、時間に対する依存性を消去する場合に、位置yに対する速度vの以下のような依存関係(d)が生じる。
Figure 2010501413
これにより、自動車1の各横方向位置yのために、最大横方向速度v sup、および最小横方向速度v infを計算することが可能である。このことは自動車1に関し図2に示される。従って、時間t=0…2.5s、開始速度v=5m/s、最大加速度a=0.2g(g=9.81m/s)の場合の増加(Propagation)の例として図3に示されるような、面積10、10’が生じる。図3では、縦軸上に横方向位置yが、横軸上に横方向速度vが表示されている。これらの図形または面積10、10’を基にして、各通過点iまたは各縦方向位置xにおける、障害物11の最大到達可能位置y supおよび最小到達可能位置y infが、位置間隔i(y inf,y sup)として算出される。すなわち、自動車1の縦方向位置xのために、自動車1に対応する到達可能な横方向の位置間隔(y inf,y sup)が計算される。
自車両1が障害物11(図5参照)または路側帯によって制限される場合、図3で、上述の増加に関する部分的に縞模様が入った面積10’が示唆するように、面積10、10’は限定される、または切られる。面積10、10’は、上端および下端が対応するy位置で区切られている。この場合、自動車1は、縦方向位置xにおいて、零ラインから+10m以上横にずれることが禁止されている。すなわち、さもなければ障害物11と衝突することが予想されるからである。さらに、この場合yinf=6m〜Ysup=10mにまで達するこの切られた面積10’の分のみが、引き続き増加させられてもよい。切られたy−v図形は、更なる別の増加の際に、基本的に方程式(d)に対応して形成される。すなわち、到達可能な最大の横方向位置ysup、および到達可能な最小の横方向位置yinfの更なる計算を、同様に行なうことが可能である。従って、走行可能な区域が異なる障害物11により複数回制限されるにもかかわらず、次の到達可能な位置が非常に良好に決定されうる。特に、増加の時間間隔Δtを自由に変更できることは有利であり、従って、次の障害物11に到達する時の、最大横方向速度v supおよび最小横方向速度v infを即時に計算することが可能である。障害物11のレベルでは、最大横方向位置ysupおよび最小横方向位置yinfを基にして、自動車1により実際に到達可能であり確実に衝突がない通過、のための通過ゲートが定義される。図4では、本方法が一連の増加の例によって明らかにされている。4つの時点t〜tごとに、到達可能な横方向位置ysup、yinfがそれぞれ示されている。到達可能な横方向位置ysup、yinfは、引き続き図5で示す障害物11の禁止面積または禁止区域12によって、横方向に限定された、または切られたものである。到達可能な横方向位置ysup、yinfが読取られ、その際、通過する通過ゲートそれぞれが、縞模様で示されている。通過ゲート間の縦方向の間隔は、図4では、直交分解ために示されておらず、時点t〜tの形態においてのみ必要とされる。
図5は、自動車1および4つの障害物11が存在する際のモデルの例を示している。自動車1の周辺空間では、自動車1の縦方向の移動、および対応する障害物11の横方向位置を基にして、禁止区域12が定義される。禁止区域12は、自動車1が同時にその場所を占めるために衝突に繋がることが予想されるので、自動車1による走行が禁止される。禁止区域12には、自動車1のジオメトリと、衝突防止軌道13を走行した結果生じるヨー角におけるジオメトリの可能な回転と、を考慮する(図示されていない)追加的な安全区域が設けられている。それに対応して、自動車1のジオメトリに考慮して、各障害物11の周りの、自動車1が進入した際に必ず衝突が起こる禁止面積または禁止区域12が生じる。この禁止区域12を基にして、自動車1または自車両の横方向位置yが限定される。それによって、自動車1により到達かつ走行可能であり、自動車1が衝突することなく障害物11の傍を通過する、通過ゲートGate1〜Gate9が生じる。従って、到達可能な横方向の位置間隔y sup、y infが、障害物11の各禁止区域12により切られ、および/または限定され、それによって通過ゲートGate1〜Gate9が生じる。
本発明かかる方法の場合、自動車1および/または障害物11の加速された移動も、衝突防止軌道13の計算の際に考慮することが可能である。
各禁止区域12の測定、および各禁止区域12の位置は、例えば先行車両が障害物11であり、かつ、自動車1が障害物11を仮想的に通過することが可能だとした場合に、自動車1の前端部が先行する障害物11の後部と接触する場所等の、縦方向における最初の接触点x、および、障害物11の前部バンパーと、自動車1の後部パンパーとの接触から生じる最終の接触点から獲得される。異なるヨー角において、簡単にするために、最初の接触点および最終の接触点、ならびに、最大の横方向の拡張および最小の横方向の拡張を互いに無関係に援用することによって、危険区域12内でのジオメトリの回転を考慮することが可能である。従って、禁止区域12は、周りを囲む境界輪郭(バウンディングボックスBounding-Box)から生じる。最も簡単な場合、自動車1および障害物11の加速されない移動を想定する場合に、最初の接触時点および最終の接触時点、ならびに、最初の接触場所および最終の接触場所が、以下の運動方程式を基に計算される。
Figure 2010501413
自動車1および/または障害物11が加速した際には、方程式(e)〜(h)は、対応してよりコストが掛かり、または、より詳細になる。その際、最悪の場合には障害物の配置ごとに方程式を立てる必要がある、加速のための間隔も可能なので、禁止区域12の拡張は最大となる。しかし、その際、最初の接触点および最終の接触点による、禁止区域12の基本的な計算は変更されない。
最も簡単な場合、図5で分かるように、全障害物11が動いていない。従って、禁止区域12が即時に、時点t=0での障害物11の位置から与えられる。さらに、最初の接触時点および最終の接触時点での障害物11の横方向位置を考察し、かつ、追加的な安全区域を用いて自動車1のジオメトリを考慮する場合に、この座標から、各障害物11のための禁止区域12が直接的に示される。対応する回避経路は、全禁止区域12の周囲を巡って通っている必要がある。
さらに、道路のコースがカーブ状である場合には、曲がった車道を直線のコースに射影することによって、禁止区域12のための同じ計算方法が利用され、従って、カーブコースのための経路も計算される。
最大で到達可能な横方向位置ysupおよび最小で到達可能な横方向位置yinfによる到達可能な通過ゲートGate1〜Gate9が図形から得られることによって、禁止区域12を基にして、障害物11についての最大で到達可能な横方向オフセットΔyおよび最小で到達可能な横方向オフセットΔyが、図3に示す速度の増加(Geschwindigkeitspropagation)を基に計算される。従って、可能な回避経路は、特定の、一連の通過ゲートを通り抜ける。
障害物11は、右側および左側を通ることが可能である。従って、障害物11が存在する場合に、最大2の可能な回避経路が生じる。しかし、図5から分かるように、この利用の場合に、禁止区域12は、可能な衝突のない経路を、最大2=16の経路の代わりに2つの回避経路に限定する。回避経路は、一連の通過ゲート、Gate1−Gate2−Gate3−Gate4−Gate5−Gate6−Gate7、および、Gate1−Gate2−Gate3−Gate8−Gate9によって示されている。
一連の通過ゲートGate1〜Gate9について、衝突のない回避経路、すなわち、衝突防止軌道13が、横方向の位置間隔ysup、yinfまたは通過ゲートGate1〜Gate9によって、最適化手法を利用して計算される。その際、横方向の位置間隔i(y sup,y inf)の上限y supおよび下限y infが、最適化手法において境界条件として考慮される。位置xにおける通過ゲートGate(i)のために、軌道13は、上部ゲート境界y supよりも小さい、または、上部ゲート境界y supと等しい必要があり、かつ、下部ゲート境界y infよりも大きい、または、下部ゲート境界y infと等しい必要があるという境界条件において、例えば、屈曲が連続するスプライン曲線が計算される。スプライン曲線は、i=1…nである場合に節点(x,y)によって通過ゲートGate1〜Gate9を表している。これに従って、衝突防止軌道13が、屈曲が連続するスプライン曲線によって記載される。更なる実施形態において、衝突防止軌道13が、等距離の節点を有する度数分布多角形によっても記載可能であることが予想される。
屈曲が連続するスプライン曲線の未知の節点(x,y)を計算するための最適化基準として、例えば、軌道13の全長l(エル)に関して、屈曲k(s)の2乗についての積分の最小化を援用することが可能である。
Figure 2010501413
スプライン曲線による軌道13の記載によって、積分を解析的に解くことが可能であり、スプライン曲線のパラメータに従って直接的に最適化基準を示すことが可能である。間隔i内での軌道13のコースが、3次多項式によって記載される。
Figure 2010501413
屈曲kのために、間隔i内で、軌道13の典型的に長く続く流れに基づき良好な近似において、2次導関数yi’’(x)を立てる場合に、最適化基準のためのスプライン−多項式p 〜p のパラメータから、以下の方程式が獲得される。
Figure 2010501413
しかし、任意のほかの最適化手法、および、それにより導かれる最適化基準も利用することが可能である。従って、例えば、最大横加速度の最小化、または、両基準の重み付けされた組み合わせが構想可能である。
衝突防止軌道13は、図6に示すように、等距離の節点によっても記載することが可能である。その際、通過ゲートGate1〜Gate6によって走行経路14が定義される。走行経路14の境界15a、15bは、回避軌道13を上方に、および下方に限定している。それにより生じる度数分布多角形は、上記の最適化基準、または、場合によっては、代替的な最適化基準を最小化する必要がある。それに従って、通過ゲートGate1〜Gate6によって、その所定の走行力学的特徴に対応して自動車1により到達可能であり、衝突することなく障害物11の傍を通過する可能な衝突防止軌道13が記載される。
有利に、自動車1では、自動車1のための衝突防止方法が駆動される。その際、走行中に障害物11が接近する際に、自動的または半自動的に避けるための、自動車1の運転操作が実行される、または提案される。その際、運転操作は衝突防止軌道13に基づいている。

Claims (13)

  1. 走行中に自動車(1)に接近する少なくとも1つの障害物(11)を避けるための、車両、特に自動車(1)の運転操作のための衝突防止軌道(13)を計算する方法であって、前記自動車(1)の横方向速度(v)が、前記自動車(1)の縦方向速度に関係なく計算の際に考慮されることを特徴とする、車両、特に自動車(1)の運転操作のための衝突防止軌道(13)を計算する方法。
  2. 前記自動車(1)の周辺空間では、前記障害物(11)との非常に高い衝突確率に基づき前記自動車(1)による走行が禁止される禁止区域(12)が、前記自動車(1)の縦方向の移動、および、前記少なくとも1つの障害物(11)の横方向位置を基に定義されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記禁止区域(12)には、前記自動車(1)のジオメトリと、前記衝突防止軌道(13)を走行した結果生じるヨー角におけるジオメトリの可能な回転と、を考慮する追加的な安全区域が設けられていることを特徴とする、請求項2に記載の方法。
  4. 少なくとも近似的に、前記自動車(1)の各縦方向位置(x)のために、前記自動車(1)の対応する到達可能な横方向の位置間隔(y inf、y sup)が計算されることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
  5. 前記到達可能な横方向の位置間隔(y inf、y sup)は、前記少なくとも1つの障害物(11)の前記禁止区域(12)によって切られ、および/または限定され、それによって通過ゲートが生じることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
  6. 前記自動車(1)によりその所定の走行力学的特徴に対応して到達可能であり、かつ、衝突することなく前記少なくとも1つの障害物(11)の傍らを通過する可能な衝突防止軌道(13)が、前記複数の通過ゲート(Gate1〜Gate9)によって記載されることを特徴とする、請求項5に記載の方法。
  7. 前記衝突防止軌道(13)は、屈曲が連続するスプライン曲線、および/または、複数の等距離の節点((x、y)〜(x、y))を有する度数分布多角形によって記載されることを特徴とする、請求項1〜請求項6のいずれかに記載の方法。
  8. 前記複数の通過ゲート(Gate1〜Gate9)により表される前記衝突防止軌道(13)は、最適化手法を用いて計算され、その際、前記横方向の位置間隔(y inf、y sup)の上限(y sup)および下限(y inf)が、前記最適化手法の境界条件として考慮されることを特徴とする、請求項6または請求項7に記載の方法。
  9. 前記自動車(1)および/または前記少なくとも1つの障害物(11)の加速された移動が、前記衝突防止軌道(13)の計算の際に考慮されることを特徴とする、請求項1〜請求項8のいずれかに記載の方法。
  10. 障害物(11)が走行中に接近する際に、自動的または半自動的に避けるための自動車(1)の運転操作が実行される、または提案される、車両、特に自動車(1)のための衝突防止方法であって、その際、前記運転操作は、請求項1〜請求項9のいずれかに記載の方法により計算される衝突防止軌道(13)に基づいている、車両、特に自動車(1)のための衝突防止方法。
  11. プログラムがマイクロコンピュータのマイクロプロセッサ、特に運転者支援システム(2)の制御装置(6)で実行される場合に、請求項1〜請求項10のいずれかに記載の方法を実行するための、プログラムコード手段を有するコンピュータプログラム。
  12. プログラムがマイクロコンピュータのマイクロプロセッサ、特に運転者支援システム(2)の制御装置(6)で実行される場合に、請求項1〜請求項10のいずれかに記載の方法を実行するための、コンピュータ読み取り可能なデータ媒体に格納されたプログラムコード手段を有する、コンピュータプログラム。
  13. 請求項1〜請求項10のいずれかに記載の方法を実行するための、車両、特に自動車(1)の装置、特に運転者支援システム(2)であって、前記自動車(1)の周辺の障害物(11)を検出するための少なくとも1つの検出装置(3a、3b)と、前記少なくとも1つの検出装置(3a、3b)と接続されており、かつ、請求項11に記載のコンピュータプログラムを実行するために設けられている制御装置(6)と、を備える、請求項1〜請求項10のいずれかに記載の方法を実行するための、車両、特に自動車(1)の装置、特に運転者支援システム(2)。
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