JP2017016645A - 半自律車両、及び、半自律車両を制御する方法 - Google Patents

半自律車両、及び、半自律車両を制御する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】半自律走行車両であって、決定された走行経路上に障害物がある場合は、障害物を回避するように走行経路を変更して車両の動きを制御し、事故の恐れが小さくなった後に、運転者は車両の制御を取り戻すことができるようにする。
【解決手段】車両の運転者から受信した行為に応答して、前記車両のために現在位置と目的位置に基づく現在経路を決定し、決定された前記現在経路を走行する半自律走行車両であって、前記現在経路上の障害物を回避するために前記目的位置を維持しながら前記現在経路を変更して変更経路を決定し、決定された前記変更経路に従って車両の動きを制御するために、前記運転者の前記行為を無効にする。
【選択図】図3

Description

本発明は包括的には車両を制御することに関し、より詳細には、半自律車両を制御することに関する。
自律車両又は半自律車両によって使用される幾つかの制御システムは、車両の種々のセンサーによって検知された周囲状況を通して車両のための安全経路を予測することによって車両の事故を回避することを目的とする。検知情報は、近隣車両、歩行者、道路縁、及び事故のおそれを評価するための他の顕著な特徴に関連するデータを含むことができる。そのような制御システムは、理想的には、大きなおそれがある場合にのみ動作し、すなわち、そのような制御システムによれば、車両の運転者は、事故のおそれが小さい状況では車両を完全に制御できるようになるが、事故のおそれが大きい状況では、制御システムが運転者の行為を無効にして、車両の動きを制御する。例えば、特許文献1に記述されている方法を参照されたい。そのような事故のおそれが大きい状況では、車両の制御は、自律運転車両の制御と同様の制御となる。
自律運転に適した経路計画が、幾つかの異なるシステム及び/又は方法によって検討されてきた。例えば、特許文献2の方法は、おそらく車線変更又は追越し操作を行うために道路上のあらかじめ割り当てられた格子から経路を生成することを記述している。特許文献3において、格子は固定されず、アルゴリズム実行中に拡張されるが、運動学的制約を考慮に入れるために、複雑な数値問題を解く必要がある。これらの問題を回避するために、特許文献4の方法は、運動学的制約を考慮に入れるために、平滑化アルゴリズムに追随される格子探索を使用する。経路計画アルゴリズムにおいて複数の点から格子を構成することは多くの場合に非常に複雑であり、それゆえ、特許文献5では、ランダム化アルゴリズムが提案されており、そのアルゴリズムは、車両配置空間内で動作し、車両が達成できる経路に近い経路を得るが、その経路は、平滑ではなく、すなわち、車両が厳密には達成することができない急カーブを有する。
米国特許出願公開第2010/0228427号明細書 米国特許出願公開第2014/0207325号明細書 米国特許第8,038,062号明細書 米国特許第7,734,387号明細書 米国特許第8,666,548号明細書
それら全ての方法は、運転者の以前の行為を無視する。しかしながら、半自律車両では、事故のおそれが小さくなった後に、運転者は車両の制御を取り戻し、現在無視されている以前の行為によって示される目的に従って車両を更に制御する必要がある。
本発明の幾つかの実施形態は、半自律車両の制御システムによって変更された経路は、運転者によって望まれる現在経路にできる限り近いままにする必要があるという認識に基づく。そのような場合、制御システムの運転者の制御に対する無効化行為によって、運転者が方向を失うことが少なくなり、運転者が制御を取り戻したときに、運転の目的により迅速に戻ることができる。そのため、本発明の異なる実施形態は、車両の運転者から受信した行為に応答して決定された車両の現在経路を考慮して、車両が障害物を回避するための経路を決定する。
例えば、一実施形態は、現在経路による車両の目標位置が変化しないままであるように、変更経路を決定する。それに加えて、又はその代わりに、幾つかの実施形態は、現在経路からの偏差を最小限に抑えて障害物を回避する変更経路を決定する。例えば、一実施形態は、現在経路からの変更経路の偏差のコスト関数を最適化することによって、変更経路を決定する。別の実施形態は、現在経路からの偏差と、現在経路に対する障害物を回避する変更経路の曲率の差との組み合わせのバランスを取るコスト関数を最適化することによって変更経路を決定する。
本発明の幾つかの実施形態は、そのような計算が、例えば、車両の現在経路上の障害物を検出するのに応答して、リアルタイムに実行されなければならないという認識に基づく。そのため、変更経路を決定するために必要とされる計算は効率的でなければならない。しかしながら、車両の動きに関する制約を前提としてコスト関数を最適化するために必要とされる最適化問題を解くのは一般に複雑である。
それゆえ、幾つかの実施形態は、変更経路を計算するために種々の段階を与える。第1の段階は粗く、現在位置と目標位置とを接続する、粗く分離したランダムにサンプリングされた点の異なる系列によって形成された複数の粗い経路を最適化することを含む。それらの粗い経路の最適化は、計算の複雑度を緩和する。次の段階は、細かく分離したランダムにサンプリングされた点の異なる系列によって形成され、粗い経路に近い、複数の細かい経路を最適化することによって、精緻化することを伴う。後続の段階は、当該細かい経路内の冗長点を除去して、枝刈り経路を得ることを伴う。最終段階は、枝刈り経路を平滑化することを伴う。そのようにして、変更経路を決定する方法の全体的な計算複雑度が緩和される。
さらに、幾つかの実施形態は、後方に向かって、すなわち、目標位置から現在位置に向かって複数の粗い経路を決定する。しかしながら、車両の現在位置が変化するとき、その実施形態は、目標位置に接近する変更経路の部分を維持しながら、選択された粗い経路を前方に更新する。そのようにして、選択経路の一部を再利用することができ、それにより、計算複雑度を更に緩和する。
したがって、一実施形態は、半自律車両を制御する方法を開示する。本方法は、車両の運転者から受信した行為に応答して、車両の現在位置において開始され、車両の目標位置において終了される、車両のための現在経路を決定することと、車両の現在位置及び目標位置を変更経路内で維持しながら車両のための現在経路を変更することと、変更経路に従って車両の動きを制御するために、運転者の行為を無効にすることとを含み、ここで、それらの車両のステップは、車両のプロセッサを用いて実行される。
別の実施形態は、半自律車両を制御する方法を開示する。本方法は、車両の運転者から受信した行為に応答して、車両のための現在経路を決定することと、車両の現在経路上の障害物を検出するのに応答して、障害物を回避する変更経路を生成するために、車両のための現在経路を変更することであって、当該変更は、現在経路からの変更経路への偏差のコスト関数を最適化することを含む、変更することと、当該変更経路に従って車両の動きを制御するために、運転者の行為を無効にすることとを含み、それらの車両のステップは車両のプロセッサを用いて実行される。
更に別の実施形態は、半自律車両を開示する。この半自律車両は、車両の運転者から受信した行為に応答して、車両のための現在経路を決定するためのナビゲーションシステムであって、当該現在経路は、車両の現在位置において開始し、車両の目標位置において終了する、ナビゲーションシステムと、車両の現在経路上の障害物を検出するためのセンサーと、車両の現在経路上の障害物を検出するのに応答して、障害物を回避する変更経路を生成するために、車両のための現在経路を変更するための経路計画システムであって、当該変更することは、現在経路からの変更経路への偏差のコスト関数を最適化することを含み、当該コスト関数は、車両の動きに関する制約を前提として最適化され、当該制約は、変更経路に対して、車両の現在位置において開始して、車両の目標位置において終了するように強制する制約を含む、経路計画システムと、変更経路に従って車両の動きを制御するために、運転者の行為を無効にするための1組のアクチュエーターとを備える。
本発明の幾つかの実施形態による、半自律車両のブロック図である。 本発明の一実施形態による、経路計画システムのブロック図である。 本発明の種々の実施形態によって利用される幾つかの原理に従って決定された種々の変更経路の概略図である。 本発明の幾つかの実施形態による、運転者によって望まれる経路を考慮することによって半自律車両を制御する方法のフローチャートである。 本発明の幾つかの実施形態による、変更経路を決定する多段階方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態による粗い経路の決定を示す概略図である。 本発明の一実施形態による、所与の粗い経路の周囲の細かい経路を得ることを示す概略図である。 本発明の一実施形態による、精緻化経路から冗長ノードを除去することを示す概略図である。 本発明の一実施形態による、枝刈り経路を平滑化することを示す概略図である。 本発明の幾つかの実施形態による、変更経路を更新する方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態による変更経路の更新を示す概略図である。
図1Aは、本発明の幾つかの実施形態による、半自律車両100のブロック図を示す。車両100は、特定の条件が生じたときに、車両の運転者の行為を無効にし、運転者から車両の制御を引き継ぐことができる自律システムを含む任意のタイプの移動車両とすることができる。例えば、車両100は四輪乗用車とすることができる。
車両100は、ハンドル及びペダルの操作のような、車両の運転者から受信した行為に応答して、車両のための現在経路を決定するナビゲーションシステム103を含む。例えば、現在経路は、車両の現在位置において開始し、車両の目標位置において終了する。車両100は、車両の現在経路上の障害物を検出するための少なくとも1つのセンサー106と、ナビゲーションシステムによって決定された現在経路とは異なる変更経路に従って障害物を回避するために、運転者の行為を無効にし、車両の動きを制御するための1組のアクチュエーターとを含む。障害物は、別の車両又は歩行者のような実在する障害物とするか、あるいは、許可された走行車線を画定するライン若しくは停止線のような、違法の運転挙動を表す仮想的な障害物とすることができる。
また、車両100は、車両の現在経路上の障害物を検出するのに応答して、車両のための現在経路を変更し、障害物を回避する変更経路を生成する経路計画システム101を含む。一実施形態では、経路計画システムは、現在経路から変更経路への偏差のコスト関数を最適化する。そのようにして、経路計画システムは、障害物を回避する変更経路を決定するために、ハンドル及びペダルの操作のような運転者の以前の行為によって示される現在経路を考慮する。結果として、事故のおそれを有する障害物が回避された後に、運転者が車両の制御を取り戻すとき、運転者は、運転者の以前の行為によって示される目的に更に従って、より容易に車両を制御することができる。
例えば、一実施形態は、変更経路内の車両の現在位置及び目標位置を維持しながら、車両のための現在経路を変更する。コスト関数を用いて変更経路を決定する幾つかの実施態様では、コスト関数は、車両の動きに関する制約を前提として最適化される。当該制約には、変更経路を、車両の現在位置において開始し、車両の目標位置において終了するように強制する制約を含む。
経路計画システムは、車両のための現在位置と、目標位置と、運転可能エリア、並びに障害物及び一般道路以外のような非運転可能エリアを含む周囲環境地図とを含む現在経路を受信し、非運転可能エリアを回避して、目標に到達する車両のための変更経路を与える(104)。その経路は、車両の位置、方位、並進速度、及び、回転速度のうちの1つ又はその組み合わせを含むことができる。その経路は、操舵、制動、スロットルのような、車両運動に影響を及ぼし、結果として、与えられた経路に一致する車両のための車両運動105を生成する車両コマンドを発動させるために車両制御システムによって使用される。
経路計画システム101は、機械に直結されるか、又は遠隔接続されるセンサー、ハードウェア又はソフトウェアから、車両運動についての情報109を受信する。情報109は車両の状態を含む。また、経路計画システムは、センサー106から、地図の形で表される環境についての情報も受信する。経路計画システム101は、車両経路の動き105を決定する車両経路104を選択するために車両情報及び環境情報を使用する。
図1Bは、本発明の一実施形態による、経路計画システム101の全体構造を示す。経路計画システム101は、経路計画システムのモジュールを実行するための少なくとも1つのプロセッサ130を含む。プロセッサ130は、地図112及び車両情報115を記憶するためのメモリ120に動作可能に接続される。幾つかの実施態様では、メモリ120は、ナビゲーションシステム103と共有される。本発明の幾つかの実施形態の目的は、制約114を前提として、調整可能なコスト関数115と、不確定要素を伴う機械のモデルとを用いて、経路104を決定することである。幾つかの実施形態では、車両及び環境に関する情報は、車両から受信した情報109及び検知108に基づいて更新される(116)。
本発明の幾つかの実施形態は、半自律車両の制御システムによって変更された経路は、運転者によって望まれる現在経路にできる限り近いままにする必要があるという認識に基づく。そのような場合、運転者が制御を取り戻すとき、制御システムの無効化行為によって運転者が方向を失う可能性は小さく、運転の目的により迅速に戻ることができる。そのため、本発明の異なる実施形態は、車両の運転者から受信した行為に応答して決定された車両の現在経路を考慮して、車両が障害物を回避するための経路を決定する。
図2は、本発明の種々の実施形態によって利用される幾つかの原理に従って決定された種々の変更経路の概略図を示す。運転可能エリア250は、障害物が存在しているエリア252を除く道路251を含む。運転者所望経路、すなわち、現在経路253は、車両の現在位置255から目標位置254に到達する基準経路と解釈することができるが、障害物の非運転可能エリア252を通り抜ける。したがって、経路計画システムは、障害物252を回避するが、現在経路253と同じ位置において開始及び終了する経路256及び257のような変更経路を生成する。
異なる実施形態では、変更経路は、現在経路から変更経路への偏差と、障害物を回避する変更経路の曲率、及び現在経路と変更経路との間の曲率の差のような、他の性能測定基準との組み合わせのバランスを取るコスト関数を最適化することによって決定される。ステアバイワイヤシステム(steer-by-wire system)を備える車両では、現在経路と変更経路との間の曲率の小さな差を保つことによって、ハンドルを変更することなく車両車輪を操舵し、そして最終的には、運転者が方向を失わないように、ハンドルと車両車輪とを位置合わせし直すことによって、変更経路を達成できるようにすることができる。例えば、変更経路257は、現在経路からの全体的な位置の差を最小化するが、障害物252の周囲において大きな曲率差を生成する。逆に、変更経路256は、現在経路から、全体的に大きな位置の差を有するが、現在経路252からの曲率差は小さい。コスト関数式は、最終的な変更経路として、2つの経路のうちのいずれが選択されるかを判断する。
図3は、本発明の幾つかの実施形態による、運転者によって望まれる現在経路を考慮することによって半自律車両を制御する方法のフローチャートを示す。その方法は、車両の運転者から受信した行為301に応答して、車両のための現在経路を決定する(310)。現在経路上で障害物が検出されるとき(320)、その方法は、障害物を回避する変更経路を生成するために、車両のための現在経路を変更する(330)。この方法では、変更することは、現在経路のコスト関数305を最適化することを含む。そのようにして、運転者によって望まれる現在経路を考慮に入れて、変更経路が生成される。
例えば、一実施形態では、コスト関数は、現在経路からの変更経路の偏差の関数である。それに加えて、又はその代わりに、コスト関数は、変更経路と現在経路との曲率の差、又は任意の他の性能測定基準の関数とすることができる。例えば、一実施形態では、変更することは、現在経路からの変更経路の偏差を低減するコスト関数を最適化することを含む。代替の実施形態では、変更することは、現在経路からの変更経路の偏差と、障害物を回避するための変更経路と現在経路との曲率差とのバランスを取るコスト関数を最適化することを含む。
幾つかの実施形態は、各経路が運転制約を満たしながら障害物を回避するような、車両の現在位置から目標位置までの1組の経路を決定し、現在経路と変更経路との間の差と、性能測定基準とに基づいて、その1組の経路から変更経路を選択する。変更経路が決定された後に、その方法は、変更経路に従って車両の動きを制御するために、運転者の行為を無効にする(340)。
本発明の幾つかの実施形態は、例えば、車両の現在経路上で障害物を検出するのに応答して、そのような計算がリアルタイムに実行されなければならないという認識に基づく。そのため、変更経路を決定するために必要とされる計算は効率的でなければならない。しかしながら、車両の動きに関する制約を前提としてコスト関数を最適化するために必要とされる最適化問題を解くのは一般に複雑である。
それゆえ、幾つかの実施形態は、変更経路を計算するために種々の段階を与える。第1の段階は粗く、現在位置と目標位置とを接続する、粗く分離したランダムにサンプリングされた点の異なる系列によって形成された、複数の粗い経路を最適化することを含む。それらの粗い経路の最適化は、計算の複雑度を緩和する。次の段階は、細かく分離したランダムにサンプリングされた点の異なる系列によって形成され、粗い経路に近接した、複数の細かい経路を最適化することによって、精緻化することを伴う。後続の段階は、細かい経路内の冗長点を除去して、枝刈り経路を得ることを伴う。最終段階は、枝刈り経路を平滑化することを伴う。そのようにして、変更経路を決定する方法の全体的な計算複雑度が緩和される。
図4Aは、本発明の幾つかの実施形態による、変更経路を決定する多段階方法のフローチャートを示す。その方法は、現在位置と目標位置とを接続する、粗く分離した1組の点によって規定された粗い経路を決定する(401)。例えば、一実施形態は、1組の粗い経路を決定し、変更経路に関する制約を前提として、現在経路からの各粗い経路への偏差のコスト関数を最適化することによって、1組の粗い経路から、1つの粗い経路を選択する。
次に、その方法は、細かく分離した、すなわち、粗い分離より細かく分離した、選択された粗い経路に近い1組の点によって規定される精緻化経路を生成するために、粗い経路を精緻化する(402)。例えば、粗い経路の周囲のエリアのみを、この時点で高い密度のサンプル点を用いて探索することによって精緻化経路を生成することができる(402)。次に、その方法は、障害物を回避するために役に立つことなく、及び/又は必要とされることなくコスト関数の値を高める、精緻化経路の冗長点を除去し(403)、枝刈りされた精緻化経路の点を接続する軌道を平滑化して(404)、車両運転可能経路を生成する。例えば、精緻化経路から冗長点を除去して、カーブが少ない経路を得ることができ、適切な曲率関数を適用することによって、その経路が平滑化される。
粗い経路の生成
図4Bは、一実施形態による粗い経路の決定401を示す概略図を示す。その実施形態は、1つのツリー上のノードとして粗い経路の点を生成し、そのツリー上の1組の経路を形成する道筋を更新する。運転可能空間430内の現在のツリーが、車両の現在位置を表すルートノード420とともに示されており、リンク411のようなリンクによって接続されるノード410のようなノードを含む。また、そのツリーは、そのツリーが最終的に到達しなければならない目標位置421も含むことができる。
一実施形態では、運転可能空間内の新たな点422がランダムに選択され、距離指標によるツリー内の最も近いノード426が選択される。点422及びノード426から、例えば、426から所与の距離内にある426と422との間のライン上の点として、ツリーの新たなノード423が得られる。そのような距離は、粗い経路の場合に長く、細かい経路の場合に短い。ノード420と423とを接続する経路が他の取り得る経路よりコスト関数に照らして最適であるように、新たなノード423から、新たなノード423の近隣にあるツリー上のノード425までリンク429を追加することによって、新たなノード423がツリーに接続される。次に、ツリー上の既存のリンクが更新される。例えば、新たなノード423の近隣にあるノードを評価して、ルート420から新たなノード423を通り抜けるノードまでの、より良好な経路を決定する。例えば、ノード426の場合、古いリンク427を破棄することができ、新たなリンク424を追加することができる。
幾つかの実施形態は、大域的制約及び局所的制約を前提として、半自律運転のための現在位置から目標位置までの経路を決定する。ここで、大域的制約は経路特性に関して表され、局所的制約はノード特性に関して表される。大域的制約は障害物を回避するために用いられ、障害物は静的及び動的とすることができる。通常条件下で、車両は現在経路、例えば、運転者指示経路に沿って移動し、この経路の推定値はあらかじめわかっている。
種々の実施形態は現在経路を基準経路として使用する。しかしながら、そのような基準経路は障害物、例えば、停止している車両、又は路上の歩行者、又は車線障害物と衝突する可能性がある。これらの状況において、幾つかの実施形態は、運転者の動揺を抑えるために基準経路から過度に外れることなく、そのような障害物を回避するように車両に操縦を行わせる運転者の行為を無効にする。したがって、幾つかの実施形態によって生成される経路は、基準経路から開始し、必要とされる操縦を実行し、基準経路に戻る。
幾つかの実施形態では、局所的制約は、車両の運動学的、かつ動的な挙動に関連する。例えば、1つの運動学的制約は、操縦経路の曲率κが基準経路の基準曲率κrefに近い必要があることである。曲率が不連続であると横方向加速度及び速度に非常に大きな変動を引き起こす可能性があるので、動的制約に関して、幾つかの実施形態は曲率が連続していることを確実にする。そのため、経路計画システム101によって決定される経路は少なくとも二次微分可能である。幾つかの実施形態はG連続経路を探索し、それは、経路の2つの連続した区間が、その接合点において同じ接線及び同じ曲率中心を有することを意味する。
一実施形態は、半自律車両の配置空間内の点をサンプリングする。例えば、それらの実施形態は、車両の位置及びその方位
Figure 2017016645
をサンプリングする。ただし、
Figure 2017016645
は運転可能空間からサンプリングされ、ψrandは(−π、π]間で均一にサンプリングされる。2つの連続したウェイポイント間の方位変化は制限することができるので、方位をサンプリングすることは、経路の主な平滑性を達成するのに役立つ。また、一実施形態は、方位を用いて、精緻化経路から冗長点を除去する。
幾つかの実施形態では、サンプリングは2段階において行われる。第1の段階では、環境全体がサンプリングされ、環境全体を迅速に探索することによって粗い経路が生成される。粗い経路は、初期配置と目標配置との間の許容経路であるが、その性能は改善することができる。
車両の配置をx:(p,p,ψ)によって2D環境内で表す。ただし、p及びpは車両位置のx座標及びy座標であり、ψは車両の方位であり、ψ∈(−π、π]である。x=(p,ψ)を用いて、1つの配置を表す。ただし、p=(p,p)は2D環境内の車両の位置である。車両の初期配置及び目標配置をそれぞれxinit及びxgoalによって表す。有界の、接続された、配置状態空間をX∈Rによって表す。配置空間内の障害物領域及び無障害物領域をそれぞれXobs及びXfree:=X\Xobsによって表す。配置空間内の実現可能経路は
Figure 2017016645
である。ただし、Sは経路の全長である。Xfree内の全ての実現可能経路を
Figure 2017016645
によって表す。2つの状態xとxとの間の経路を
Figure 2017016645
によって表す。X内の基準経路をσrefによって表す。ただし、σrefはX内にあるが、必ずしもXfree内にはない。
Figure 2017016645
を、全ての非自明無衝突経路に非負コストを割り当てるコスト関数とする。このコスト関数が加法的であると仮定する。すなわち、xがxとxとを接続する経路上にある点である場合には、
Figure 2017016645
である。ツリー内の任意のノードv∈Vの場合に、xrootをルートとするツリーT=(V,E)を考えると、Cost(v)は、ツリーのルートからvまでの経路の最適なコストである。すなわち、
Figure 2017016645
である。
幾つかの実施形態は、以下の問題を解くことによって現在経路を変更した。有界の接続配置空間X、障害物領域Xobs、初期状態xinit∈Xfree、目標状態xgoal∈Xfree、及び2回連続微分可能基準経路σrefを仮定して、
(i)σ(0)=xinit及びσ(S)=xgoalであり、かつ、
(ii)
Figure 2017016645
であるような、G連続経路
Figure 2017016645
を見つける。ただし、c(σ)は、基準経路σrefとσとの間の曲率の差にペナルティを科すコスト関数である。そのような経路が存在しない場合には、一実施形態は失敗を報告する。
幾つかの実施形態は、関数
Figure 2017016645
を定義する。ただし、Xfreeは運転可能空間であり、その関数は、運転可能空間430からの独立同一分布(i.i.d.:independent identically distributed)サンプルを返す。図4Bにおいて、関数SampleFreeは点422を返す。Vが1組のノードであり、Eが、それぞれ2つのノードを接合する1組のエッジ又はリンクであるツリーT=(V,E)と、点x∈Xfreeとを仮定すると、関数
Figure 2017016645
は、コスト関数に関してxに最も近いノードv∈Vを返し、すなわち、
Figure 2017016645
である。図4Bにおいて、関数Nearestは点426を返す。
2つの点x,x∈Xfree、正の実数η∈R>0を仮定すると、関数
Figure 2017016645
は、xがxとxとを接続する最適な経路上の点であるようなx∈Xfreeを返す。本明細書において、x
Figure 2017016645
として選択する。ただし、||・||はユークリッドノルムであり、ηは許される距離である。図4Bにおいて、関数Steerは点423を返す。
ツリーT=(V,E)、状態x=(p,ψ)∈Xfree及び正の実数η∈R>0を仮定すると、関数
Figure 2017016645
は、xの近隣にあるV内のノードを返す。すなわち、
Figure 2017016645
である。次式のように、ツリー内のノードの数の関数としてrを選択する。
Figure 2017016645
ただし、
Figure 2017016645
であり、μ(Xfree)は自由空間の体積であり、ζはR内の単位球体の体積であり、|V|はV内のノードの数を表す。図4Bにおいて、関数Nearは点425、426を返す。
2つの状態x,x∈Xfreeを仮定すると、ブール関数CollisionFree(x,x)は、xとxとの間の最適経路σ x1,x2が運転可能空間Xfree430内に存在する場合には、真(True)を返し、そうでない場合には、偽(False)を返す。
一実施形態は以下のようにノードのツリーを決定する。その実施形態は、唯一のノードとしてツリーのルートを設定し(V=xroot)、エッジがない、すなわち、
Figure 2017016645
と設定することによって初期化される。その後、運転可能空間においてランダム点422がサンプリングされ、ツリー内の最も近い点426が見つけられ、ツリー内の最も近いノードを、最も近いノードとランダム点との間のライン内にある新たなノードに向けることによって、新たなランダム点423が返される。新たなノードと最も近いノードとを接続するラインに沿った衝突がチェックされ、衝突が見つからない場合には、新たなノードがツリーに追加される。新たなノードは、ルートノードから既存のツリーノードに到達するためのコストと、既存のツリーノードから新たなノードに到達するコストとの和の最小値を与える既存のツリーノードに接続される。新たなノードに到達するコストは、(ルートノードから既存のノードに到達するコスト)+(既存のノードから新たなノードに到達するコスト)として設定される。
新たなノードがツリーに追加される場合には、新たなノード付近のノード425、426を評価して、それらのノードが、新たなノードを通り抜けることによって最も低いコストを有する経路を用いて到達できるか否かをチェックする。そのため、その実施形態は、新たなノードに到達するためのコストを求め、新たなノードから任意の近いノードに到達するコストを加える。そのようなコストが、そのノードに現在関連付けられているコストより小さい場合には、新たなノードからそのノードへのリンクが追加され、新たなノードに到達する古い方のリンクが除去される。
コスト関数
2つの状態x=(p,ψ)及びx=(p,ψ)があり、ただし、
Figure 2017016645
及び
Figure 2017016645
であると仮定して、一実施形態はコスト関数を
Figure 2017016645
のように選択する。ただし、wはユークリッド距離に関する重みであり、wは経路の平滑性に関する重みであり、wは計画経路と基準経路との曲率の差に関する重みであり、θはψとベクトル
Figure 2017016645
との間の角度である。具体的には、
Figure 2017016645
である。同様に、θはψとベクトル
Figure 2017016645
との間の角度であり、θ,θ∈[0,π]であり、κ(x)はノードxにおける曲率であり、κref(x,σref)はxにおける対応する基準曲率である。次に、x、x及びσrefを仮定して、κ(x)及びκref(x,σref)を計算する方法を示す。
コスト関数(1)内の計画経路の曲率は、複数の方法において計算することができる。例えば、平滑化手順がG連続立方ベジエ螺旋(G2CBS:G2 Continuous Cubic Bezier Spiral)を用いて、2つのエッジを接続する場合には、2つのエッジの接合ノードにおける曲率としてG2CBS曲線の最大曲率を用いることができる。ノードxの親がxparent=(pparent,ψparent)であるとき、xにおける曲率の大きさは
Figure 2017016645
によって与えられる。ただし、qは、
Figure 2017016645
を満たすパラメーターであり、
Figure 2017016645
であり、γはベクトル
Figure 2017016645
とベクトル
Figure 2017016645
との間の角度であり、
Figure 2017016645
であり、LはBとpとの間の距離である。κ(x)の符号は、2D平面内のpにおける単位接線ベクトルの回転方向によって決定される。具体的には、Bが曲線の始点であり、Eが曲線の終点であるとして、単位接線ベクトルが反時計回りに回転する場合には、κ(x)>0である。代わりに、単位接線ベクトルが時計回りに回転する場合には、κ(x)<0である。κ(x)の符号は、クロス乗積
Figure 2017016645
の方向を考慮することによって決定することができる。すなわち、
Figure 2017016645
であり、ただし、
Figure 2017016645
は、右手系を完成させる、
Figure 2017016645
及び
Figure 2017016645
の両方に対して垂直な単位ベクトルである。ここで、
Figure 2017016645
は、
Figure 2017016645
及び
Figure 2017016645
が同一直線上にあり、曲率がκ(x)=0であることを意味する。
、κref(x,σref)の場合の基準曲率の値は、xを基準経路σref上の点に射影し、そのような点の曲率を計算することによって計算される。例えば、最近点射影(Nearest point projection)を用いることができる。
Figure 2017016645
ただし、xref=(pref,ψref)はσref上の任意の点である。
この射影の1つの利点は、ツリー内の各ノードの基準曲率を一度しか計算する必要がないことである。その後、計算された曲率はメモリに記憶され、多数の反復の計算効率を高めるために後の計算に再利用される。式(1)のコスト関数は、経路計画アルゴリズム全体を通して最近隣点を計算するためにも用いることができ、最近隣点は、コスト関数(1)を用いて各ノードからランダムノードまでのコストを計算することによって、かつランダムノードまでの最近隣点として最も低いコストを有するノードを設定することによって選択される。この結果として、コスト関数(1)の項の重みに応じて、異なる経路が生成される。例えば、計画経路と基準経路との間の曲率差に関する重みが大きい場合には、経路456が結果として生成された変更経路であり、一方、ユークリッド距離に関する重みが大きい場合には、経路457が選択される。
精緻化経路の生成
図5は、一実施形態による、ステップ401において決定された粗い経路501を精緻化すること(402)を示す概略図を示す。粗い経路501を仮定すると、その周囲のエリア503が検討され、そのようなエリアにおいて、より高いノード密度を有する精緻化経路502が得られる。例えば、一実施形態は、粗い経路501を中心にしたエリア505内に新たな点504をランダムに配置する。
精緻化段階中に、精緻化経路の近隣がサンプリングされる。図5に示されるように、点{xinit,x,x,...,x,xgoal}を有する粗い経路501を仮定して、幾つかの実施形態は最初にこれらの点xから点504をランダムに選択し、その後、その実施形態は、選択された点を中心にした円柱505
Figure 2017016645
内を均一にサンプリングする。ここで、円柱の寸法は、r’=ηと選択することによって決定される。ただし、ηは経路計画システムの延長区間長であり、δは一般に
Figure 2017016645
内で選択される。
精緻化段階中、サンプリングは、粗い経路の周囲のエリアにおいてより高密度であり、そのエリアは、任意の新たな点423を、粗い経路生成中に以前に許された距離よりも、最も近いノード426から強制的に短い距離に置くことによって得られる。
幾つかの実施形態では、第1の段階では、第2の段階より多くの点が配置される。その理由は、探索エリアが小さく、それゆえ、少ないサンプルしか必要としない精緻化を行うために、第2の段階に入る前に環境全体を探索して十分に良好な粗い経路を見つけることが重要であるためである。
ノード/点の除去
幾つかの実施形態は新たなノードをランダムに配置するので、経路内に幾つかの不要な点が存在する可能性があり、それらの点が不要な方向転換を導入し、車両の動きによって運転者の快適性が低下する可能性がある。本発明の幾つかの実施形態によって、これらの点が除去される。
図6は、一実施形態による、精緻化経路502から冗長ノードを除去すること(403)を示す概略図を示す。不要な方向転換を引き起こすノード602、603、604が除去され、対応する切断されたリンクが除去され、除去されたノードの先行ノードと後続ノードとの間のリンク605、606、607が追加される。
精緻化経路の点をσ={x,x,x,...,x,xn+1}とする。ただし、x=(p,ψ)、x=xinit及びxn+1=xgoalである。枝刈り経路をσとし、
Figure 2017016645
と設定し、j=n+1とする。枝刈りは以下のように機能する。xをσに加える。xから開始して、
Figure 2017016645
が無衝突であるような、{x,x,...,xj−1}内の全ての点を見つけ、これらのウェイポイントをXcandidateによって表す。全てのx∈Xcandidateに対して、(θ+θ)を最小化する点を見つける。ただし、
Figure 2017016645
であり、
Figure 2017016645
である。その後、j=kとして、k=0までこのプロセスを繰り返す。
平滑化
不要な点が除去された後でも、その経路は依然として角部によって接合される区間を含む可能性がある。したがって、その経路は滑らかではなく、少なくとも2つの問題を引き起こす可能性がある。第一に、自動車のような数多くの車両は、滑らかな経路に従うことしかできないので、その経路に厳密に従うことはできない。また、経路を受信し、車両コマンドを発動させる制御システムは通常、滑らかな操作経路を必要とする。
図7は、一実施形態による、ノード除去403後の経路701の平滑化404を例示する概略図を示す。そのように平滑化しても、結果として、経路が依然としてノードを通り抜けるが、その経路は、鋭いエッジを有する一連のリンクではなく、滑らかな曲線を含む。
幾つかの実施形態では、経路701は、点間に滑らかな曲線702を当てはめることによって平滑化される。例えば、G連続立方ベジエ螺旋(G2CBS)を用いて、2つの連続した線分の間に連続曲率経路を生成することができる。ベジエ曲線は以下のように定義される。
Figure 2017016645
ただし、nはベジエ曲線の曲度であり、s∈[0,1]であり、Pは制御点である。式(5)によって記述される曲線のための8つの制御点は以下の式によって与えられる。
Figure 2017016645
ただし、uはライン
Figure 2017016645
に沿った単位ベクトルであり、uはライン
Figure 2017016645
に沿った単位ベクトルであり、uはライン
Figure 2017016645
に沿った単位ベクトルであり、
Figure 2017016645
であり、
Figure 2017016645
であり、γはベクトル
Figure 2017016645

Figure 2017016645
との間の角度である。パラメーターq、q、q、q
Figure 2017016645
である。
パラメーターLはp(x=(p,ψ))とBとの間の距離であり、pとEとの間の距離にも等しい。これに基づいて、Lは、以下のように選択することができる。
Figure 2017016645
式(7)において記述されるようにLを選択する理由は、平滑化のために1つのエッジが2回使用されるので、2Lが
Figure 2017016645
以下であるためである。この平滑化技法を用いて、初期点と最終点との間のG連続経路が得られる。その経路が初期点及び最終点においても連続しているように要求される場合には、ヨー方向において2つの更なるウェイポイントψinit及びψgoalを追加することができ、その後、経路計画システムを用いて、これら2つの新たなウェイポイント間にある更なるウェイポイントを見つけることができる。平滑化は、更なる点を含む全ての点に適用することができ、初期点及び最終点においても滑らかであるG連続経路を与える。
経路更新
本発明の幾つかの実施形態は、路上の変化に応じて、現在経路及び/又は変更経路を更新することができるという認識に基づく。例えば、車両の現在位置の変化に応答して、及び/又は新たな障害物を検出するか、若しくは以前に検出された障害物の挙動の変化を検出するのに応答して、変更経路を更に更新することができる。そのような状況において、幾つかの実施形態は、効率的に実行するために、変更経路を更新して、変更経路の少なくとも幾つかの部分を再利用する。
図8Aは、本発明の幾つかの実施形態による、変更経路を更新する方法のフローチャートを示す。その方法は、非運転可能エリア内の変化を検出し(811)、新たな非運転可能エリアを通る経路を除去し(812)、新たな運転可能エリアを横切る新たな経路を生成する(813)。次に、その方法は、車両の現在位置及び目標位置を更新し、既存の経路と現在位置及び目標位置とを接続し、変更経路を更新する(814)。
図8Bは、障害物801のような非運転可能エリアが以前の位置802から移動した後の、本発明の一実施形態による変更経路の更新を示す概略図を示す。その動きに起因して、803のような特定のリンク及びノードがもはや有効ではなく、ツリーから除去される。これにより、リンク804が除去されるので、目標位置805への経路内に中断が生じる。しかしながら、障害物によって以前に占有されていたエリア802が、現時点で運転可能である。したがって、そのエリア内に更なるノードが追加され、目標位置への更新された経路を形成する新たなリンク、例えば、リンク806が決定される。
あらかじめ計画された経路が利用可能であるとき、経路計画システムは、その経路を用いて、計算回数を削減することができる。しかしながら、その経路は、例えば、1つ又は複数の障害物が除去されたことに起因する非運転可能エリア内の変化、及び車両位置の変化を考慮に入れるために調整を必要とする場合がある。
幾つかの実施形態では、新たな障害物が現れるか、又は障害物が位置を変更するとき、最初に、新たな障害物と衝突するエッジが特定される。障害物と交差するエッジごとに、対応する子終点ノードが無効とマーキングされる。次に、無効ノードを見つけるために、xinitからxgoalまでの元の経路がチェックされる。その経路がそのようなノードを含まない場合には、その経路は変更されない。そのようなノードを含む場合には、ツリーが刈り込まれ、再生される。
刈込み(trimming)は、ツリーの各ノードをトラバース(traverse)し、無効ノードの全ての子を無効とマーキングすることによって実行することができる。その後、全ての無効ノードと、それらのノードを接続するエッジがツリーから除去される。ツリーが刈り込まれた後に、新たな経路を見つけるためにツリーが再生される。幾つかの実施形態は、運転可能から非運転可能に、及び非運転可能から運転可能に変化した、運転可能エリアの部分を包囲するエリアの近隣においてサンプルを生成する。このようにして、変更エリアに広がるツリーの新たなブランチを、より迅速に決定することができる。
さらに、幾つかの実施形態は、後方に向かって、すなわち、目標位置から現在位置に向かって経路を決定する。しかしながら、車両の現在位置が変更されるとき、実施形態は、目標位置に接近する変更経路の部分を維持しながら、選択経路を更新する。そのようにして、選択経路の一部を再利用することができ、それにより、計算複雑度が更に緩和される。
車両現在位置としてツリールートが選択される場合には、車両が移動すると、ルートが変化しているので、直ちにツリーを再計算する必要がある。代わりに、幾つかの実施形態は、ルートを目標位置に設定し、目標を現在車両位置に設定する。このようにして、そのツリーは目標位置を運転可能エリア内の任意の現在車両位置に接続しており、それは、車両位置が変化するときに、新たな経路が既に利用可能であることを意味する。中止判定基準に関しては、それらの実施形態は、xinit=(pinit,ψinit)を中心にした円柱内にランダムノードが配置され、ランダムノードをxinitに接続する経路が無衝突であるとき、xinitとxgoalとの間の1つの経路を返す。エリア504は、
Figure 2017016645
と定義することができる。ただし、Ψは、ψinitとその親の配置との間の最大ヨー差である。
本発明の上記の実施形態は、数多くの方法のいずれにおいても実現することができる。例えば、それらの実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア又はその組み合わせを用いて実現することができる。ソフトウェアにおいて実現されるとき、そのソフトウェアコードは、単一のコンピューター内に設けられるにしても、複数のコンピューター間に分散されるにしても、任意の適切なプロセッサ、又はプロセッサの集合体において実行することができる。そのようなプロセッサは集積回路として実現することができ、集積回路構成要素内に1つ又は複数のプロセッサが含まれる。一方、プロセッサは、任意の適切な構成の回路を用いて実現することができる。
また、本明細書において概説される種々の方法又はプロセスは、種々のオペレーティングシステム又はプラットフォームのいずれか1つを利用する1つ又は複数のプロセッサ上で実行可能であるソフトウェアとしてコード化することができる。さらに、そのようなソフトウェアは、幾つかの適切なプログラミング言語及び/又はプログラミングツール若しくはスクリプト記述ツールのいずれかを用いて書くことができ、フレームワーク又は仮想機械上で実行される実行可能機械語コード又は中間コードとしてコンパイルすることもできる。通常、プログラムモジュールの機能は、種々の実施形態において望ましいように、組み合わせることもできるし、分散させることもできる。
また、本発明の実施形態は方法として具現することができ、その一例が提供されてきた。その方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法において順序化することができる。したがって、例示的な実施形態において順次の動作として示される場合であっても、例示されるのとは異なる順序において動作が実行される実施形態を構成することもでき、異なる順序は、幾つかの動作を同時に実行することを含むことができる。

Claims (15)

  1. 半自律車両を制御する方法であって、
    前記車両の運転者から受信した行為に応答して、前記車両のための現在経路を決定するステップであって、前記現在経路は、前記車両の現在位置において開始し、前記車両の目標位置において終了するステップと、
    前記車両の前記現在位置及び前記目標位置を変更経路内で維持しながら、前記車両のための前記現在経路を変更するステップと、
    前記変更経路に従って前記車両の動きを制御するために、前記運転者の前記行為を無効にするステップと
    を含み、前記車両の各前記ステップは前記車両のプロセッサが実行する、方法。
  2. 前記変更するステップ及び前記無効にするステップは、前記車両の前記現在径路上で障害物を検出するのに応答して実行される、請求項1に記載の方法。
  3. 前記変更するステップは、
    前記車両の前記現在位置から前記目標位置までの1組の経路を決定することであって、各前記経路は、運転制約を満たしながら前記障害物を回避することと、
    前記現在経路と前記変更経路との間の差と、性能測定基準とに基づいて、前記1組の経路から前記変更経路を選択することと
    を含む、請求項2に記載の方法。
  4. 前記性能測定基準は前記現在経路からの偏差であり、
    前記現在経路と前記1組の経路内の各前記経路との間の全位置差を決定することと、
    最小の全位置差に対応する前記変更経路を選択することと
    を更に含む、請求項3に記載の方法。
  5. 前記性能測定基準は、前記現在経路からの前記変更経路の偏差、及び前記変更経路の曲率と前記現在経路の曲率との間の差であり、前記方法は、
    前記現在経路と前記1組の経路内の各前記経路との間の全位置差を決定することと、
    前記変更経路の前記曲率と前記現在経路の前記曲率との間の曲率差を決定することと、
    前記全位置差と前記曲率差との組み合わせのバランスを取るコスト関数を用いて前記変更経路を選択することと
    を更に含む、請求項3に記載の方法。
  6. 前記変更するステップは、
    前記現在経路からの前記変更経路の偏差を低減するコスト関数を最適化することによって前記変更経路を決定することを含む、請求項2に記載の方法。
  7. 前記変更するステップは、
    前記現在経路からの前記変更経路への偏差と、前記変更経路の曲率と前記現在経路の曲率との間の差との組み合わせのバランスを取るコスト関数を最適化することによって前記変更経路を決定することを含む、請求項2に記載の方法。
  8. 前記変更するステップは、
    前記現在位置を前記目標位置に接続する、粗く分離した1組の点によって規定される粗い経路を決定することと、
    細かく分離した1組の点によって形成され、前記選択された粗い経路に近い精緻化経路を生成するために、前記粗い経路を精緻化することと、
    枝刈り経路を生成するために、障害物を回避するために役に立つことなく前記コスト関数の値を高める前記精緻化経路の冗長点を除去することと、
    前記変更経路を生成するために、前記枝刈り経路の前記点を接続する軌道を平滑化することと
    を含む、請求項2に記載の方法。
  9. 前記粗い経路を決定することは、
    ノードを接続するリンクが、前記現在位置を前記目標位置と接続する1組の粗い経路を形成するように、前記ノードのツリーを生成することと、
    新たなノードを通り抜ける粗い経路が、前記コスト関数に基づいて、前記新たなノードを通り抜けない別の粗い経路より最適である場合には、前記ツリー内に前記新たなノードを配置することと
    を含む、請求項8に記載の方法。
  10. 前記精緻化することは、
    前記粗い経路を中心にしたエリア内に、前記粗い経路内の密度より高い密度を有する新たなノードを配置することを含む、請求項8に記載の方法。
  11. 前記目標位置から前記現在位置まで後方に向かって各前記粗い経路を決定することと、
    前記目標位置に接近する前記変更経路の部分を維持しながら、前記車両の前記現在位置の変化に応答して、前記変更経路に対応する選択された粗い経路を前方に更新することと
    を更に含む、請求項8に記載の方法。
  12. 半自律車両を制御する方法であって、
    前記車両の運転者から受信した行為に応答して、前記車両のための現在経路を決定するステップと、
    前記車両の前記現在経路上の障害物を検出するのに応答して、前記障害物を回避する変更経路を生成するために、前記車両のための前記現在経路を変更するステップであって、前記現在経路からの前記変更経路への偏差のコスト関数を最適化することを含む、ステップと、
    前記変更経路に従って前記車両の動きを制御するために、前記運転者の前記行為を無効にするステップと
    を含み、前記車両の各前記ステップは前記車両のプロセッサが実行する、方法。
  13. 前記コスト関数は前記車両の動きに関する制約を前提として最適化される、請求項12に記載の方法。
  14. 前記現在経路は前記車両の現在位置において開始し、前記車両の目標位置において終了し、前記制約は、前記変更経路を前記車両の前記現在位置において開始し、前記車両の前記目標位置において終了するように強制する制約を含む、請求項13に記載の方法。
  15. 半自律車両であって、
    前記車両の運転者から受信した行為に応答して、前記車両のための現在経路を決定するためのナビゲーションシステムであって、前記現在経路は、前記車両の現在位置において開始し、前記車両の目標位置において終了する、ナビゲーションシステムと、
    前記車両の前記現在経路上の障害物を検出するためのセンサーと、
    前記車両の前記現在経路上の障害物を検出するのに応答して、前記障害物を回避する変更経路を生成するために、前記車両のための前記現在経路を変更するための経路計画システムであって、前記変更することは、前記現在経路からの前記変更経路への偏差のコスト関数を最適化することを含み、前記コスト関数は前記車両の動きに関する制約を前提として最適化され、前記制約は、前記変更経路を前記車両の前記現在位置において開始し、前記車両の前記目標位置において終了するように強制する制約を含む、経路計画システムと、
    前記変更経路に従って前記車両の動きを制御するために、前記運転者の前記行為を無効にするための1組のアクチュエーターと、
    を備える、半自律車両。
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