JP2016192010A - 電子制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、運転支援技術や自動運転技術において必要となる経路計画演算を投機的実行で行う際に、安全性を確保しつつ性能を向上する電子制御装置を提供することにある。【解決手段】少なくとも一つの外部からの入力を基に制御演算を行う複数の演算部を有し、前記複数の演算部が、安全性に関して安全性要件を満たさない場合の第一の演算部と、前記安全性要件を満たす第二の演算部を有し、前記第一の演算部および第二の演算部から出力される制御演算結果を基に、制御対象の将来の状態を予測する第一の予測部と第二の予測部と、前記制御対象の将来の状態を表す量を基に、前記第一の演算部および第二の演算部における制御演算結果について安全性を評価する評価部と、前記評価部による評価結果を基に、安全性要件を満たすものを制御演算結果から選択し、前記電子制御装置の演算結果として出力する選択部と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は電子制御装置に係り、制御対象に装着された各種センサから電子制御装置に入力される信号を基に、複数の制御演算を行い、演算結果を出力するにあたり、適切な制御演算結果を出力する電子制御装置に関する。

運転支援技術や自動運転技術においては、乗員や周辺環境の安全を守るため、運転状況や周囲の環境状況に応じた適切な制御を行う必要がある。その方法の一例として、運転状況や周囲の環境状況に応じた制御パターンの候補を複数準備し、状況に応じて適切に選択、出力する方法が考えられる。例えば特許文献１では、自車のセンサを用いた周辺環境の認識により、自車の将来において危険が予測される場合には将来の危険状況の予測を基に複数の制御パターン候補から適切な制御を評価、選択し、自車に適用する方式が開示されている。

特開2014-120158号公報

一方で、運転支援技術や自動運転技術には安全性を担保するだけでなく、乗員の快適性を向上することも求められる。

快適性の向上には、事前に設定された複数の制御パターン候補からの選択ではなく、経路計画に代表されるようなリアルタイムに自車および周辺環境の現在および将来の状態を予測し、安全性と快適性から成る評価関数を基に最適な経路を計画する方式が適しているが、複雑な制御演算を電子制御装置上のマイクロコントローラで高速に実行する必要性から演算高速化が必須となる。

演算高速化手法としては、投機的実行とよばれる高速化手法が知られている。投機的実行とは、制御演算に必要となる入力値を事前に予測することにより、実際の演算開始時刻より早い時刻に制御演算を開始する手法である。演算開始時刻を前倒しすることで、演算完了時刻を要求される演算結果出力時刻に合わせることが可能となる一方で、投機的実行はあくまで入力の予測値を用いた演算高速化手法であるため、実際の入力値と演算に用いる予測値が異なることによる、制御対象の意図しない挙動というリスクがある。

上記の点に鑑みてなされた本発明の目的は、運転支援技術や自動運転技術において必要となる経路計画演算を投機的実行を用いて行う際に、安全性を確保しつつ性能を向上する電子制御装置を提供することにある。

電子制御装置は、少なくとも一つの外部からの入力に応じて演算結果を出力し制御対象を制御する電子制御装置において、前記入力を基に制御演算を行う複数の演算部を有し、前記複数の演算部が安全性に関して異なる特徴を持ち、前記異なる特徴として、前記安全性に関して安全性要件を満たさない場合の少なくとも一つの第一の演算部と、前記安全性要件を満たす少なくとも一つの第二の演算部を有し、前記第一の演算部および第二の演算部から出力されるそれぞれの制御演算結果を基に、制御対象の将来の状態をそれぞれ予測する第一の予測部と第二の予測部と、前記第一の予測部と第二の予測部から出力される前記制御対象の将来の状態を表す量を基に、前記第一の演算部および第二の演算部における制御演算結果について少なくとも安全性を評価する評価部と、前記評価部による評価結果を基に、少なくとも安全性要件を満たすものを制御演算結果の中から１つ選択し、前記電子制御装置の演算結果として出力する選択部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、運転支援技術や自動運転技術において安全性を担保しつつ快適性を向上することが可能となる。

本発明の第一の実施例における電子制御装置１および制御対象である自車６の構成を示すブロック図である。 本発明の第一の実施例における電子制御装置１を用いた自車６が走行する、走行環境の例である。 本発明の第一の実施例における第一の演算部２１と第二の演算部２２において行われる演算の特徴を示した図である。 本発明の第一の実施例における電子制御装置１内の第一の演算部２１の実装に用いられる投機的実行を説明する図である。 本発明の第一の実施例における電子制御装置１の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第一の実施例における、第一の演算部２１での投機的実行成功時の第一の演算部２１および第二の演算部２２それぞれの演算結果を第一の予測部３１および第二の予測部３２にて予測した、自車６の予測挙動を示す図である。 本発明の第一の実施例における、第一の演算部２１での投機的実行失敗時の第一の演算部２１および第二の演算部２２それぞれの演算結果を第一の予測部３１および第二の予測部３２にて予測した、自車６の予測挙動を示す図である。 本発明の第一の実施例における、電子制御装置１を実装する際の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施例に係る電子制御装置について図面を用いて説明する。

図１は本実施例における電子制御装置１および制御対象である自車６から成る、制御系の構成を示したブロック図である。図１に示した電子制御装置１は、図示しない上位の電子制御装置から得られる入力値９１や、自車６に搭載されたセンサ９から得られる、自車６の周辺情報および自車情報を含むフィードバック値９２を入力として、自車６の走行に必要となる加速度情報を制御出力５１として決定し、自車６のアクチュエータ制御装置７を介して各種アクチュエータ８を駆動することで自車６を制御する。自車６に搭載されるセンサ９としては、外界認識センサとしてのカメラ、レーザレーダ等が、内部情報センサとしての自車の情報を取得する車速センサ等が考えられる。また、電子制御装置１は、必要に応じて外部環境、例えば周辺の歩行者の挙動を予測する図示しない外部環境モデルを持つことができるとする。

電子制御装置１は、安全性の異なる第一の演算部２１と第二の演算部２２、第一の演算部２１と第二の演算部２２からの出力を基に、制御対象である自車６の将来挙動の予測を行う第一の予測部３１および第二の予測部３２、第一の予測部３１および第二の予測部３２からの出力を基に第一の演算部２１および第二の演算部２２の演算結果を評価する評価部４、評価部４での評価結果を基に電子制御装置１の出力５１を選択する選択部５を有する。

以下、電子制御装置１が行う制御について説明する。

図２は、自車６と単路を横断する意思のある歩行者１０のみが存在する運転状況の一シーンである。

自車６は単路を走行し、ある時刻に単路を横断しようとする歩行者１０をセンサ９により発見する。自車６はセンサ９を用いて歩行者１０の進路および移動速度を検出し、また外部環境モデルを用いて歩行者１０の将来の挙動を予測する。本実施例では、外部環境モデルは、歩行者１０の直前までの挙動を基に進路および速度を推定するモデルとするが、外部環境モデルの実装方法はこの限りではない。

図３に、電子制御装置１に実装される第一の演算部２１および第二の演算部２２にて行われる演算の特徴を示す。第一の演算部２１および第二の演算部２２は安全性および制御性能に関して異なる特徴を持つ演算部である。ここでは、安全性として歩行者１０と一定以上の距離を開けて走行することを、制御性能として乗員の快適性を、本制御における評価軸とし、歩行者１０に対する安全性を侵害する可能性があるものの乗員の快適性が高い演算結果を出力する第一の演算部２１と、確実に安全な挙動を取るものの乗員の快適性の低い演算結果を出力する第二の演算部２２が、電子制御装置１に実装されているとする。

具体的な実装としては、例えば第一の演算部２１では、投機的実行と呼ばれる演算高速化手法を用いて経路計画を行うとする。経路計画は、自車および周辺環境のモデルを基に、現在より一定期間先までの将来における自車の制御を最適化するものである。経路計画を行う際の評価関数として、目標速度での走行や、加速度変化を抑制する項等を導入することで、乗員の乗り心地を考慮した制御を行うことが可能となる。

投機的実行とは、図４に示すように制御演算に必要となる入力値を事前に予測することにより、演算を実際の制御演算開始時刻に先駆けて開始する演算高速化手法である。通常の制御演算においては周期的に入力される入力値を基に、既定のタイミング内に演算を完了し出力することが要求されるが、経路計画演算のような複雑な演算の高速な制御周期をもつ電子制御装置への単なる適用では、制御周期内に演算を完了することができず、制御周期の制約を満たすことができない。そこで将来の入力値の予測を行うことにより、制御演算開始時刻を制御周期の制約を満たすように設定し、複雑な制御演算を見かけ上高速に実行する。ただし、投機的実行はあくまで入力の予測値を用いて演算を行うため、予測値が実際の入力値と異なる状況が起こり得る。実際の入力値と予測値が異なる例としては、モデル化時の誤差によるものだけでなく、歩行者挙動の急変（進路や速度の急変、意図しない飛び出し等）も含まれる。このような事例、特に歩行者挙動の急変に対応することは、将来の入力値を事前に予測する投機的実行の特徴上難しいため、第一の演算部２１は、予測が上手く働いている限りは乗員の快適性を考慮できる制御である一方、予測を基に演算を行うために安全性にはリスクのある制御となる。

対して第二の演算部２２は、基本的に目標速度に等しい速度で走行し、各時刻において自車歩行者間距離が既定の距離以下となった際に急ブレーキをかけるような制御とする。既定の距離の設定方法としては、例えば急ブレーキをかけることで歩行者１０との衝突寸前に自車を停車させることが可能な距離とすることが考えられる。なお、第二の演算部２２における制御として、目標速度での走行と緊急時の急ブレーキを採用したのは、状況設定として後続車が存在しないことを想定しているためであり、歩行者との事故を回避する目的においては自車の制御上許す範囲での最大の力でブレーキ操作を行うことは確実な事故回避方法の一つと言えるためである。このため、第二の演算部は急ブレーキを行うため乗員の乗り心地は良いとは言えないものの安全性の保証された制御となる。

以下、電子制御装置１が行う制御の概要について、図５のフローチャートを用いて説明する。

図５は、制御周期毎に電子制御装置１の出力を行うための電子制御装置１内の各機能ブロックの動作を示すフローチャートである。本実施例においては、まず自車６に搭載されたセンサ９によるフィードバック値９２の取得を行い（Ｃ１）、続いてＣ１で取得した値を基に、第一の演算部２１および第二の演算部２２にて制御演算を行う(Ｃ２−１、Ｃ２−２）。この際、第一の演算部２１では前述の投機的実行を行うため、第二の演算部２２とは演算開始時刻が異なり、Ｃ１は第一の演算部２１の演算開始時刻と第二の演算部２２の演算開始時刻とにおいて二度行われる。

次に、第一の演算部２１および第二の演算部２２の演算結果を基に、第一の予測部３１および第二の予測部３２にて将来の状態量、および必要に応じて将来の出力値を予測する(Ｃ３−１、Ｃ３−２）。これにより、第一の演算部２１および第二の演算部２２の演算結果による、一定期間将来にわたる自車６の状態量の推定値が得られる。状態量の推定値としては、例えば自車位置、速度、ステアリング角、などが考えられる。

次に評価部４は、Ｃ３−１、Ｃ３−２で得られた、第一の演算部２１および第二の演算部２２の演算結果による自車の推定状態、および必要に応じて外部環境モデルを用いて、安全性および性能に関する評価を行う(Ｃ４−１、Ｃ４−２）。

安全基準は、例えばＣ３−１、Ｃ３−２で予測する自車歩行者間距離が、一定期間将来にわたって一定以上であるかを絶対的に評価し、快適性は例えば自車加速度の変化や、自車目標速度からの乖離を考慮した評価関数を用いて評価を相対的に評価することが考えられる。Ｃ４−１、Ｃ４−２においては、必要に応じて外部環境モデルを用いて取得できる歩行者１０の将来の予測位置を用いてもよい。

最後に選択部５にて、Ｃ４−１、Ｃ４−２による評価部４の結果をうけて電子制御装置１の出力５１が選択される（Ｃ５）。選択部５では、安全基準への準拠の判定および快適性の評価結果に基づき、安全基準を満たしており、かつ前記の快適性評価において良好な結果を示した演算部の演算結果が選択され、電子制御装置１の出力値５１として出力される。

以下、上述の制御フローを用いて自車６を制御する例について説明する。

ある時刻Ｔ１において、図２のように自車が横断意思のある歩行者１０をセンサ９を用いて検出したとする。電子制御装置１は、センサ９により時刻Ｔ１における自車情報、歩行者情報を取得し、時刻Ｔ２に出力を行うための制御演算を第一の演算部２１および第二の演算部２２で行っているとする。なお、第一の演算部２１では、前述の投機的実行を用いて演算を行っているため、実際の演算開始時刻は時刻Ｔ１より前の時刻Ｔ０であり、外部環境モデルを用いて時刻Ｔ１における歩行者１０の位置の予測を行っているとする。

第一の演算部２１は、前述の時刻Ｔ１における自車および歩行者１０の状態の推定値を基に、時刻Ｔ３までの自車の最適な経路、速度の演算を行う。この際、外部環境モデルによる歩行者状態の予測が用いられる。また第二の演算部２２は、センサ９により得られる自車歩行者間の距離および自車の速度を基に、急ブレーキの必要性を判断する。また第二の演算部２２は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの予測を行うために第二の予測部３２から第二の演算部２２へ自車６の挙動予測値をフィードバックし、時刻Ｔ３までの各制御周期に関して繰り返し制御演算を行う必要がある。

図６は、第一の演算部２１における投機的実行が成功している場合の、第一の予測部３１および第二の予測部３２から出力される自車歩行者間距離、速度、加速度を示す図である。第一の予測部３１により出力される各パラメタの遷移を実線で、第二の予測部３２により出力される各パラメタの遷移を一点鎖線で示す。

ここで、本制御における評価部４での安全性評価の基準を、自社歩行者間距離が各制御周期での将来の一定期間において常に閾値以上の距離を有することとし、同閾値を第二の演算部２２における既定の距離と同等であるとする。また、本制御における快適性の基準として、速度および加速度を、現在の時刻を起点とする一定期間における、目標速度と速度の差分と加速度の絶対値との重みづけ加算を行った結果を評価し、評価結果がより小さくなることを本制御において快適性が高いとする。図６aには安全性の基準としての自車歩行者間距離の閾値を、図６ｂには速度の目標値を、点線で示す。

また、ここで言う投機的実行の成功とは、投機的実行を用いて演算を行った第一の演算部２１の演算結果が電子制御装置１の演算結果として出力されること、すなわち評価部４における安全性評価で安全基準を満たし、かつ性能評価において第二の演算部２２の演算結果に対して優れていることであるとする。

図６の投機成功時においては、図６aのように第一の演算部２１および第二の演算部２２による演算結果はともに自車歩行者間距離を閾値以上に保っており安全基準を満たす。また、図６ｂおよび図６ｃのように、第一の演算部２１の演算結果は、第二の演算部２２の演算結果に対して、目標速度との差分および加速度変化が小さい第一の演算部２１が、第二の演算部２２に対して相対的に優れている。これは、第一の演算部２１では前述のように外部環境モデルを用いた経路計画を行うことで将来の歩行者１０の位置および自車の状態を最適化する制御を行うため、快適性を保ちつつ歩行者１０への接近を予測した事前の減速による自車歩行者間距離の確保が可能となるためである。

このことより、安全基準を満たしかつ性能面で優れる第一の演算部２１の演算結果が、評価部４および選択部５により電子制御装置１の出力５１として出力される。

一方、図７に第一の演算部２１における投機的実行に失敗した場合の、第一の予測部３１および第二の予測部３２から出力される自車歩行者間距離、速度、加速度を示す。本例では、第一の演算部２１における投機的実行失敗の例として、時刻Ｔ０と時刻Ｔ１の間のある時刻において、歩行者が車道内で停止した場合を考える。

先述の投機的実行に成功した場合と異なり、第一の演算部２１による演算結果は、図７aより自車歩行者間距離の閾値を下回り、安全基準を満たさないことが分かる。これは、第一の演算部２１は、時刻Ｔ０において予測した時刻Ｔ１における歩行者１０の位置、および歩行者１０が時刻Ｔ０までの歩行者挙動を基にした外部環境モデルを基に制御演算を行うため、歩行者１０の停止を考慮した制御ができず、減速が不十分なまま歩行者１０に接近してしまうことによる。歩行者１０の停止を考慮していない第一の演算部２１による自車６の将来挙動は、評価部４の安全基準の判定にて安全基準を満たさないと判定される。対して第二の演算部２２は、歩行者１０が立ち止まったことを検知しているため、適切なタイミングで減速を行うことができる。このため、選択部５にて第二の演算部２２の演算結果が選択され、時刻Ｔ１より電子制御装置１は自車６に急ブレーキをかけて停車させることができる。つまり、電子制御装置１が第二の演算部２２を有することにより、第一の演算部２１がもつ安全リスクを回避することができる。

このような特徴をもつ電子制御装置１を実装する際には、第一の演算部２１および第二の演算部２２で行われる演算を、図８に示すように異なるシリコンチップ１１１１および１１２１上に実装された集積回路１１１および集積回路１１２上で行うことが考えられる。集積回路１１１および集積回路１１２は、本実施例の電子制御装置１と同様、図示しない図１上位の電子制御装置から得られる入力値９１や、自車６に搭載されたセンサ９から得られる、自車６の周辺情報および自車情報であるフィードバック値９２を入力として、図示しない自車６の走行に必要となる加速度情報を制御出力５１として決定し自車６を制御するものである。

その際、集積回路１１１から集積回路１１２へ、集積回路１１１上の第一の予測部３１より状態量の予測値１１３が送信される。この状態量の予測値１１３の一部もしくは全部が、投機的実行に成功し第一の演算部２１の演算結果が選択される限り、制御対象である自車６より電子制御装置１へのフィードバック値９２に略等しくなる。これは、集積回路１１１内の第一の演算部２１および第一の予測部３１により出力される値が図６a、図６ｂ、図６ｃに示すように自車６の挙動に関する将来の値であり、前述のように投機的実行が成功する限り、第一の演算部２１における演算結果が選択され続けることによる。

なお、本実施例においては制御演算を行う第一の演算部２１および第二の演算部２２を１つずつ備えているが、本発明の構成はこれに限定されるものではない。すなわち第一の演算部２１および第二の演算部２２に相当する演算部を複数実装し、それぞれの演算部における演算結果を評価部４にて評価することで、快適性をさらに改善することが可能である。

また、本実施例において第二の演算部２２を安全性確保のため急ブレーキをかけるという動作で実装したが、本発明の構成はこれに限定されるものではない。例えば状況に応じて規定された所定のパターンを出力する方式や制御演算を行う方式等で実装しても、各実施形態で説明したのと同等の作用効果を持つ。

なお、以上説明したような各種の変形例は、それぞれ単独で適用しても、任意に組み
合わせて適用してもよい。以上説明した各実施形態や各種の変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損われない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。

１：電子制御装置、２１：第一の演算部、２２：第二の演算部
３１：第一の演算部２１からの出力を基に自車６の将来状態を予測する予測部
３２：第二の演算部２２からの出力を基に自車６の将来状態を予測する予測部
４：評価部、５：選択部、５１：電子制御装置の出力値、６：自車、
７：自車搭載の各種アクチュエータを制御する電子制御装置、
８：自車搭載の各種アクチュエータ、９：自車搭載のセンサ、
９１：電子制御装置１への図示しない上位の電子制御装置からの入力値
９２：電子制御装置１へのセンサ９からの入力値
１０：歩行者、
１１１：電子制御装置１を２つの集積回路上に実装時の第一の演算部を含む集積回路、
１１２：電子制御装置１を２つの集積回路上に実装時の第一の演算部を含まない集積回路、
１１３：第一の演算部を含む集積回路からの出力値

Claims (5)

1. 少なくとも一つの外部からの入力に応じて演算結果を出力し制御対象を制御する電子制御装置において、
   前記入力を基に制御演算を行う複数の演算部を有し、前記複数の演算部が安全性に関して異なる特徴を持ち、前記異なる特徴として、前記安全性に関して安全性要件を満たさない場合の少なくとも一つの第一の演算部と、前記安全性要件を満たす少なくとも一つの第二の演算部を有し、
   前記第一の演算部および第二の演算部から出力されるそれぞれの制御演算結果を基に、制御対象の将来の状態をそれぞれ予測する第一の予測部と第二の予測部と、
   前記第一の予測部と第二の予測部から出力される前記制御対象の将来の状態を表す量を基に、前記第一の演算部および第二の演算部における制御演算結果について少なくとも安全性を評価する評価部と、
   前記評価部による評価結果を基に、少なくとも安全性要件を満たすものを制御演算結果の中から１つ選択し、前記電子制御装置の演算結果として出力する選択部と、を有することを特徴とする電子制御装置。
   
2. 請求項１において、前記評価部は前記安全性の評価に関しない第二の評価基準についても評価を行い、前記安全基準を満たす制御演算結果が複数ある場合は第二の評価基準において最も適した制御演算結果を出力することを特徴とする電子制御装置。
   
3. 請求項１または２において、前記第一の予測部および第二の予測部において制御対象の数理モデルを用いることを特徴とする電子制御装置。
   
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記第一の演算部が１制御周期以内に演算を完了しない演算を行っていることを特徴とする電子制御装置。
   
5. 少なくとも一つの外部からの入力に応じて演算結果を出力し制御対象を制御する電子制御装置において、
   複数のシリコンチップ上に実装された集積回路を有し、前記複数の集積回路間にてデータの送受信を伴う制御演算を行い、
   ある時刻における前記複数の集積回路間で送受信されるデータの少なくとも一部が、前記ある時刻以降における制御対象への出力値または制御対象からの入力値のうち少なくとも一方と略等しいことを特徴とする電子制御装置。

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