JP2011016418A - 車両制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 運転者にとってより自然な軌跡を求めることができる車両制御装置を提供する。
【解決手段】 カーブ路における車両の目標走行軌跡を最適化手法に基づいて求める車両制御装置において、そのカーブ路中で目標走行軌跡がカーブ路のレーン内側ラインに最も近接する最近接位置（Ｃ／Ｐ）がカーブ路通過時間を最短化する場合の最近接位置（Ｃ／Ｐ）よりカーブ路出口側へ位置させる条件を付加する、具体的には、評価関数にＣ／Ｐが後方側へと位置する条件を付加して所望の目標走行軌跡を求める。
【選択図】 図４

Description

本発明は、車両の目標走行軌跡を求める車両制御装置に関し、特に、カーブ路を通過する目標走行軌跡を求める車両制御装置に関する。

走行経路に沿った車両の走行を誘導、案内する各種の技術が開発されている。特許文献１記載の技術は、自車前方の道路形状を検出し、この道路形状情報と自車の走行速度とに基づいて、自車の将来位置を算出し、運転者の視点から見た道路上の該当位置を、例えばフロントガラスに投影することで、運転者に示すものである。非特許文献１記載の技術は、カーブ路（コーナー）を最短時間で通過する軌跡を、最適制御理論を用いた数値計算によって求める手法を開示している。

特開２００５−２２８１３９号公報

藤岡健彦、江守大昌：自動車技術会論文集 Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．３，Ｊｕｌｙ １９９３，ｐ１０６−１１１ 「最短時間コーナリング法に関する理論的研究 −第４報 状態量不等式拘束を用いた道路条件の導入−」

公道を走行する一般的な車両においては、最大減速時の減速度の絶対値に比較して最大加速時の加速度の絶対値は低くなることが多い。このように加速性能が減速性能に比べて低い車両において、非特許文献１に記載されている手法で目標走行軌跡を求めると、後述するように、カーブ路の入口側でカーブ内側ラインに近接する軌跡となり、熟練運転者が通常採用する軌跡との相違が大きくなり、運転者が違和感を覚えてしまう。

そこで、本発明は、運転者にとってより自然な軌跡を求めることができる車両制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る車両制御装置は、カーブ路における車両の目標走行軌跡を最適化手法に基づいて求める車両制御装置において、当該カーブ路中で目標走行軌跡が当該カーブ路のレーン内側ラインに最も近接する最近接位置がカーブ路通過時間を最短化する場合の最近接位置より当該カーブ路出口側へ位置させる条件を付加することで目標走行軌跡を求めることを特徴とする。車両の加減速条件において加速性能と減速性能の影響度を異ならせる場合に本発明は特に好適である。

この最近接位置をカーブ路出口側へと位置させる条件としては、この最適化手法における評価関数に目標走行軌跡中の各メッシュ点での車速または加速度に所定の重み付け係数をかけて積算した負の値を追加するとともに、この所定の重み付け係数は、当該カーブ路出口側を入口側より高く設定するとよい。あるいは、この最適化手法における評価関数に当該カーブ路区間の終端速度に所定の負の係数を乗じた値を追加してもよい。

この最適化手法における評価関数に目標走行軌跡中の各メッシュ点でのヨーレートに所定の重み付け係数をかけて積算した負の値を追加するとともに、所定の重み付け係数は、当該カーブ路入口側を出口側より高く設定してもよく、最適化手法における評価関数にこの最近接位置に関する情報を含めてもよい。

求めた目標走行軌跡を運転者に案内して運転者の操作を支援する案内手段、または、求めた目標走行軌跡に基づいて車両の操舵角、加減速度のいずれかまたは双方を制御する走行制御手段をさらに備えているとよい。

本発明によれば、レーン内側ラインに最も近接する最近接位置がカーブ路出口側へ位置する目標走行軌跡を求めることができ、運転者が違和感を覚えることの少ない目標走行軌跡が得られる。特に、加速性能が減速性能より低い場合には有効である。

最適化手法における評価関数として上述した条件を付加することで、いわゆる立ち上がり重視のセオリーに沿った経路である最近接位置がカーブ路出口側へ位置する目標走行軌跡を確実に求めることができる。

運転者に誘導、案内する経路、自動走行で用いる目標経路を上述した経路とすれば、運転者が経路に対して違和感を覚えることが少なく、システムに対する信頼性も向上する。

本発明に係る運転制御装置の構成を示すブロック図である。 図１の運転制御装置における目標走行軌跡の算定例の対象となるカーブ路を示す図である。 図１の運転制御装置における目標走行軌跡の算定例における車両特性の設定を示す図である。 本発明に係る運転制御装置における目標走行軌跡の算出結果を示す図である。 図４の目標走行軌跡に対応する車両変数を示すグラフである。 従来の技術による目標走行軌跡の算出結果を示す図である。 図６の目標走行軌跡に対応する車両変数を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る車両制御装置１の構成を示すブロック図である。ここでは、設定した目標走行経路に基づいて自動的に走行を行う自動走行システムを備える車両制御装置１を例に説明する。

車両制御装置１は、制御手段であるＥＣＵ（ElectronicControl Unit）４１を中心に構成されている。ＥＣＵ４１は、ＣＰＵとＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶手段、通信手段によって構成される。ＥＣＵ４１は、本発明に専用のハードウェアパッケージであってもよいが、他の機能を併せ持っていてもよく、あるいは他の機能を併せ持つ複数のハードウェアを組み合わせることで実現されていてもよい。

ＥＣＵ４１への入力手段として、車両状態量、運転者の操作状態、自車両が走行中の道路情報等を取得するための舵角センサ１０、ブレーキペダルセンサ１１、アクセルペダルセンサ１２、ヨーレートセンサ１３、Ｇセンサ１４、車輪速センサ１５、ＧＰＳセンサ１６、白線検知センサ１７、障害物検知センサ１８、ウインカスイッチ１９、ナビゲーションシステム２０を備え、これらの出力がＥＣＵ４１へと入力されている。

一方、ＥＣＵ４１の出力には、操舵アクチュエータ３０、スロットルアクチュエータ３１、ブレーキアクチュエータ３２、警報装置３３が接続されており、これらにより車両の走行が制御されるとともに、運転者に対してＥＣＵ４１からの出力情報を通知することが可能な構成となっている。

舵角センサ１０は、運転者の操舵に応じた舵角を検出して、ＥＣＵ４１に通知する。ブレーキペダルセンサ１１は、運転者のブレーキペダル操作量（制動操作量）を検出して、ＥＣＵ４１に通知する。アクセルペダルセンサ１２は、運転者のアクセルペダル操作量を検出して、ＥＣＵ４１に通知する。ヨーレートセンサ１３は、自車両に作用しているヨーレートを検出し、ＥＣＵ４１に通知する。Ｇセンサ１４は、例えば、横Ｇセンサ、前後Ｇセンサを組み合わせたものであり、自車両に作用している横加速度、前後加速度をそれぞれ検出し、ＥＣＵ４１に通知する。車輪速センサ１５は、車両の４輪にそれぞれ設けられ、車輪の回転速度（車輪の回転に応じたパルス数）を検出して、ＥＣＵ４１に通知する。ＥＣＵ４１では、この車輪速センサ１５の出力に基づいて各車輪の車輪速度および、車体速度（車速）を算出する。

ＧＰＳセンサ１６は、ＧＰＳ（GlobalPositioning System）衛星からのＧＰＳ信号を受信するＧＰＳアンテナ、受信機、処理装置からなり、複数の衛星の位置情報および各衛星との距離情報に基づいて自車両の位置を算出し、ＥＣＵ４１に通知する。白線検知センサ１７は、例えば、カメラで取得した自車両前方の道路画像から画像処理によりその走行するレーンを区画する車線（白線）を検出するものである。白線検知センサ１７では、検出した白線の位置情報に基づいて車線幅、車線の中心線、カーブ半径、カーブ曲率、車両の向き（ヨー角）及び車線中心に対する車両重心位置の偏位量（オフセット）などを算出し、ＥＣＵ４１に通知する。

障害物検知センサ１８は、ミリ波レーダや処理装置からなり、車両前方に照射したミリ波が、物体表面に反射して戻ってくる反射波を受信し、送信から受信までの時間差、照射方向、ドップラー成分に基づいて、車線前方の障害物の有無を検知し、障害物を検知できた場合には障害物までの距離、相対速度等を算出して，ＥＣＵ４１に通知する。

ウインカスイッチ１９は、運転者が方向指示器を点灯させるためのスイッチであり、スイッチに応じて所定の方向指示器の点灯を制御するほか、その操作情報がＥＣＵ４１に通知される。

ナビゲーションシステム２０は、例えば、道路形状情報を格納したデータベースを有し、ＧＰＳセンサ１６で取得した自車位置情報に基づいて当該データベース中から自車両周辺の道路形状情報を読み出してＥＣＵ４１に通知する。自システム内にデータベースを格納するほか、システム外部に設けられたデータベースから路車間通信等により道路形状情報を読み出す構成としてもよい。

操舵アクチュエータ３０は、例えば、電動モータであり、その駆動力をステアリング機構に伝達して操舵トルクを付与する。スロットルアクチュエータ３１は、スロットルバルブの開度を調整することにより、エンジン出力を制御するものである。ブレーキアクチュエータ３２は、各車輪に設置される油圧ブレーキのホイールシリンダに付与されるブレーキ油圧を調整するものであり、各車輪に付与される制動力を独立して制御するものである。警報装置３３は、スピーカー、ディスプレイ等からなり、音声または画像により運転者に対する各種の警報を伝達するものである。

車両制御装置１は、入力情報に基づいて自車両が現在の走行レーンの走行を維持しながら、後述するように走行するための最適な目標軌跡（走行計画）を生成し、その目標軌跡に沿って走行するように車両の運動制御を行う。具体的には、エンジン、ブレーキを制御することで、自車両の加減速度を調整し、操舵制御によりその操舵角を調整する。運転者による操作介入（アクセル、ブレーキペダル操作、ステアリング操作、ウインカスイッチ操作等）には自動走行をキャンセルし、障害物検知センサ１８で障害物を検出した場合には、警報装置３３により運転者に通知するとともに、衝突回避操作を行うとよい。

ここで、目標軌跡は、車両の位置（ｘ座標，ｙ座標）の移動軌跡のみからなる情報ではなく、車速（ｖ_ｘ，ｖ_ｙ）、加速度（ａ_ｘ，ａ_ｙ）、ヨー角、ヨーレートなどの車両の走行に必要な多数のパラメータから構成される。

目標走行軌跡の設定は、最適化手法により行われる。この最適化手法としては、どのような手法を用いてよく、例えば、非特許文献１に開示されているＳＣＧＲＡ（Sequential Conjugate Gradient Restoration Algorithm）法が有効である。ＳＣＧＲＡ法では、拘束条件を満たすまで最急降下法に基づいて収束演算し、評価関数の評価値が最小となるまで共役勾配法に基づいて収束演算する。拘束条件は、車両の走行において絶対に守らなければならない条件である。評価関数は、車両の走行において重視する条件を評価するための関数である。

ＥＣＵ４１は、初期条件としての初期軌跡を設定し、拘束条件を満たすまで最急降下法に基づいて収束演算する。初期条件は、自由に設定することができるが、例えば、現在の位置から走行レーン内の幅方向の位置を保ちつつ、走行レーンに沿って等速で走行する軌跡を設定するとよい。拘束条件は、道路側条件と車両側条件があり、道路側条件としては走行レーンの境界線、車両側条件として摩擦円、加速限界、減速限界、操舵限界などの車両性能限界がある。車両側条件としての車両の加速性能、制動性能は、制動性能が加速性能より高く設定される。危険回避等のために車両が備えるべき制動性能は、通常要求される加速性能を上回るからである。

収束演算は、前回の収束演算で求めた走行軌跡（初回の収束演算では初期軌跡）を用いて拘束条件に基づいて収束演算により走行軌跡を求め、その軌跡が拘束条件を満たすか否かを判定し、拘束条件を満たす走行軌跡が求められるまで各処理ループでの収束演算と判定を繰り返し行う。各処理ループでは、ブロックＢ単位の（メッシュＭ，・・・の個数×パラメータの個数）のデータからなる走行軌跡が求められる。

拘束条件を満たす走行軌跡が導出されると、ＥＣＵ４１は、拘束条件を満たしつつ、後述する評価関数の評価値が最小となるまで共役勾配法に基づいて収束演算する。すなわち、前回求められた走行軌跡（初回の収束演算では拘束条件を満たした走行軌跡）を用いて評価関数の評価値が小さくなるように今回の走行軌跡を収束演算し、今回の求められた走行軌跡を用いて評価値が最小になったか否かを判定し、評価値が最小となる走行軌跡が求められるまで各処理ループでの収束演算と判定を繰り返し行う。つまり、収束演算を行う場合には評価関数における各メッシュの車速として前回の走行軌跡における該当するメッシュでの車速が用いられ、平均車速としては前回の走行軌跡における全メッシュの車速の平均値が用いられ、判定を行う場合には評価関数における各メッシュの車速として今回の収束演算で求められた走行軌跡における該当するメッシュでの車速が用いられ、平均車速としては今回の収束演算で求められた走行軌跡における全メッシュの車速の平均値が用いられる。評価値が最小になったか否かの判定では、評価値の微分値を求め、微分値が０かあるいは略０になった場合に評価値が最小になったと判定する。

本発明においては、カーブ路に対する評価関数として、通過時間に加えて車両状態量を追加し、カーブ路において走行軌跡がその内側ラインに最も近接する位置であるクリッピングポイント（Ｃ／Ｐ）がカーブ路の出口側に位置する条件を付加することにより、Ｃ／Ｐを運転者にとって違和感を覚えることのない位置に位置させた走行軌跡を生成することを可能としている。

具体的には、例えば、（カーブ路全体の通過時間）＋Σ｛（各メッシュ点での重み付け係数）×（メッシュ点における速度）×（負の係数）｝を評価関数（評価関数Ａ）として、重み付け係数は、カーブ路出口側を入口側より高く設定するとよい。これにより、カーブ路前半よりも後半の車速を重視したいわゆる立ち上がり重視の目標軌跡を生成することができ、運転者の違和感の解消につながる。なお、評価関数Ａのメッシュ点における速度に代えて、メッシュ点における加速度を用いてもカーブ路後半の加速度を重視した立ち上がり重視の目標軌跡を生成することができる。

あるいは、評価関数として、（カーブ路全体の通過時間）＋（カーブ路の終端速度）×（所定の負の係数）を用いてもよい（評価関数Ｂ）。この場合は、上述のメッシュ点における速度／加速度を考慮する場合に比べて、計算負荷を低減することができる利点がある。一方、考慮範囲が最終メッシュ点に限られることで、通過時間を余計に要する結果となる可能性がある。

評価関数Ａにおける（メッシュ点の速度）に代えて（ヨーレート）を用い、重み付け係数は、評価関数Ａとは逆に、カーブ路入口側を出口側より高く設定してもよい（評価関数Ｃ）。これにより、カーブ路前半で車両の進行方向を大きく変えるセオリーに沿った目標軌跡を生成するで、Ｃ／Ｐをカーブ路出口側へと位置させて、運転者の違和感を解消させることができる。

あるいは、Ｃ／Ｐの位置情報を評価関数に含めてもよい。この場合には、Ｃ／Ｐがカーブ路出口側に来たときに評価関数の値が最小化されるような係数設定を行うとよい。

次に、本発明による経路設定手法により設定された経路（実施例）と、非特許文献１に記載されている経路設定手法により設定された経路（比較例）との比較結果を説明する。図２は、設定対象としたカーブ路を示す図である。ここでは、半円形のカーブ路を対象とし、その内側ライン１０１の径（内径）は、０．４５、外側ライン１０２の径（外径）は、３．０とする。そして、ライン１０１、１０２の中心を原点とし、カーブ路の中間部分がＹ軸と一致するよう、Ｘ軸、Ｙ軸を設定する。カーブ路入口での車両２００の条件は、Ｘ座標が−０．５５、Ｙ座標は０、車両横方向の車速Ｖｙが０であり、カーブ路出口での車両２０１の条件は、Ｘ座標が０．５５、Ｙ座標は０、車両横方向の車速Ｖｙが０である。

図３は、設定した車両性能条件を示している。横加速度、前後加速度のベクトル和の大きさは最大１ｍ／ｓ^２であるが、前方向の加速度は、最大０．１ｍ／ｓ^２に制限される。つまり、車両の加速性能は、旋回性能、制動性能に比べて制限されていることを意味する。また、実現可能な最大ヨーレートは１０（ｒａｄ／ｓ）とした。評価関数は、実施例では、上述の評価関数Ｂを用い、（通過時間）−１０×（終端速度）とした。終端速度とは、ここでは、カーブ路出口における車両２０１の車両前後方向の速度Ｖｘである。比較例の評価関数は通過時間のみである。その他の条件は実施例、比較例とも同一である。

実施例の目標走行軌跡を図４に、その車両状態量を図５に示し、比較例の目標走行軌跡を図６に、その車両状態量を図７に示す。図５、図７中（ａ）は、車両前後方向の加速度変化を、（ｂ）は車両横方向の加速度変化を、（ｃ）は、車両の位置座標変化を、（ｄ）は、車速の車両前後方向と横方向の各成分の変化を、（ｅ）は、ヨーレートの変化を、（ｆ）はヨー角の変化をそれぞれ示している。比較例では、カーブ路前半（Ｘ座標が−０．１付近）にＣ／Ｐが位置するのに対し（図６参照）、実施例では、カーブ路後半（Ｘ座標が０．１５付近）に位置している（図４参照）。また、比較例では、前後方向の加速度が終端付近で減速側に転じている（図７（ａ）参照）のに対し、実施例では、最大加速度付近を維持しており（図５（ａ）参照），その終端加速度の前後方向成分Ｖ_Ｘも比較例では、０．７８０５ｍ／ｓであったのに対し、実施例では０．８４６２ｍ／ｓと高くなっている（図５（ｄ）、図７（ｄ）参照）。横方向の加速度変化についても実施例のほうが終端付近での減速量が小さく（図５（ｂ）、図７（ｂ）参照）、ヨーレートも実施例のほうが終端付近では絶対値が小さく（図５（ｅ）、図７（ｅ）参照）なっている。このように、本発明により熟練運転者にも違和感のない目標走行軌跡を生成できることが確認された。他の評価関数を用いた場合も同様の効果が得られる。

ここでは、目標走行軌跡に沿って自動走行を行う例を説明したが、操舵または速度調整の一方を自動で行い、他方は運転者が行ってもよい。また、自動制御を行わず、設定した目標走行軌跡に沿って走行できるよう、音声や画像表示を用いて運転者を誘導してもよい。

１０…舵角センサ、１１…ブレーキペダルセンサ、１２…アクセルペダルセンサ、１３…ヨーレートセンサ、１４…センサ、１５…車輪速センサ、１６…センサ、１７…白線検知センサ、１８…障害物検知センサ、１９…ウインカスイッチ、２０…ナビゲーションシステム、３０…操舵アクチュエータ、３１…スロットルアクチュエータ、３２…ブレーキアクチュエータ、３３…警報装置、４１…ＥＣＵ、１０１…内側ライン、１０２…外側ライン、２００…車両（入口位置）、２０１…車両（出口位置）。

Claims (8)

1. カーブ路における車両の目標走行軌跡を最適化手法に基づいて求める車両制御装置において、
   当該カーブ路中で目標走行軌跡が当該カーブ路のレーン内側ラインに最も近接する最近接位置がカーブ路通過時間を最短化する場合の最近接位置より当該カーブ路出口側へ位置させる条件を付加することで目標走行軌跡を求めることを特徴とする車両制御装置。
2. 前記最適化手法における評価関数に目標走行軌跡中の各メッシュ点での車速または加速度に所定の重み付け係数をかけて積算した負の値を追加するとともに、前記所定の重み付け係数は、当該カーブ路出口側を入口側より高く設定することを特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
3. 前記最適化手法における評価関数に当該カーブ路区間の終端速度に所定の負の係数を乗じた値を追加することを特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
4. 前記最適化手法における評価関数に目標走行軌跡中の各メッシュ点でのヨーレートに所定の重み付け係数をかけて積算した負の値を追加するとともに、前記所定の重み付け係数は、当該カーブ路入口側を出口側より高く設定することを特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
5. 前記最適化手法における評価関数に前記最近接位置に関する情報を含むことを特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
6. 車両の加減速条件において加速性能と減速性能の影響度を異ならせることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の車両制御装置。
7. 求めた目標走行軌跡を運転者に案内して運転者の操作を支援する案内手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の車両制御装置。
8. 求めた目標走行軌跡に基づいて車両の操舵角、加減速度のいずれかまたは双方を制御する走行制御手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の車両制御装置。

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