JP2018062261A - 車両制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】時間の概念を考慮して走行経路の候補を算出する場合に、走行経路の候補の数を極力少なくして演算時間を短くすることにより、その扱いを容易にする。【解決手段】車両制御装置１０のパターン候補作成部８８は、速度パターン取得部８４で取得した速度パターンと、制約条件設定部８６で設定された制約条件とを用いて、複数の挙動パターン候補を作成する。評価処理部９０は、パターン候補作成部８８で作成された各挙動パターン候補により特定される車両状態を評価する。パターン選択部９４は、評価処理部９０で算出された評価値Ｑに基づいて、各挙動パターン候補の中から所望の挙動パターンを選択する。【選択図】図２

Description

本発明は、車両の走行軌道を逐次生成すると共に、この走行軌道に基づいて前記車両を制御する車両制御装置に関する。

従来から、車両の走行軌道を逐次生成すると共に、この走行軌道に基づいて前記車両を制御する車両制御装置が知られている。例えば、複数の走行経路の候補を生成し、生成した各走行経路の候補から選択した最適な走行経路に基づいて走行軌道を生成する技術が種々開発されている。

特許文献１には、自車両の速度やヨーレート等の走行状態情報に基づき、自車両の走行領域内で自車両が移動可能となる進路である自車両可能進路を複数本算出し、安全度情報に基づいて、安全度が最も高い自車両可能進路を最適自車両進路として選択することが記載されている。

特許第４６２３０５７号公報（段落［００１９］、［００２１］、［００３８］〜［００５５］等）

ところで、車両ダイナミクス（車両運動モデル）を考慮して走行軌道を生成すれば、走行軌道に沿って車両を追従させることが可能となる。この場合、走行軌道の生成に際しては、時間の概念（速度）を考慮して車両が通る幾何学的な直線又は曲線を示す走行経路の候補を作成し、作成した走行経路の候補から最適な走行経路を選択し、選択した走行経路を用いて、各時点での車両状態を含む走行軌道を生成することになる。

この場合、速度の時系列パターン（速度パターン）の数と、操舵角の時系列パターンの数との掛け算が走行経路の候補の総数となるため、車両の軌道長が長くなる程、その組み合わせは膨大な数となり、演算時間が長くなる。また、走行経路の幾何的な形状に着目すると、同一形状でも速度パターンが異なれば、異なる走行経路の候補となるため、無駄が多くなってしまう。

本発明は上記した問題を解決するためになされたものであり、時間の概念を考慮して走行経路の候補を算出する場合に、走行経路の候補の数を極力少なくして演算時間を短くすることにより、その扱いを容易にする車両制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る車両制御装置は、車両の走行軌道を逐次生成すると共に、前記走行軌道に基づいて前記車両を制御する車両制御装置であって、前記車両の目標速度の時系列を示す速度パターンを取得する速度パターン取得部と、前記車両の車幅方向の挙動に相関する制御量の制約条件を設定する制約条件設定部と、前記速度パターン取得部で取得された前記速度パターン及び前記制約条件設定部で設定された前記制約条件を用いて前記制御量の時系列プロットである挙動パターン候補を複数作成するパターン候補作成部と、前記パターン候補作成部で作成された前記各挙動パターン候補により特定される車両状態を評価する評価処理部と、前記評価処理部での前記各車両状態に対する評価結果に基づいて前記各挙動パターン候補の中から時点毎の前記制御量の組み合わせを示す挙動パターンを選択するパターン選択部と、前記パターン選択部で選択された前記挙動パターンに基づいて前記走行軌道を生成する走行軌道生成部とを備える。

このように、本発明では、前記速度パターン（時間の概念）を考慮して、前記各挙動パターン候補（に応じた走行経路の候補）を作成する場合、前記車幅方向の挙動（車両運動モデル、車両ダイナミクス）に基づく前記制約条件（車両運動限界）を考慮して前記各挙動パターン候補を作成する。これにより、前記制約条件を満たす挙動パターン候補のみ作成されるので、前記各挙動パターン候補の数を少なくすることができる。この結果、前記パターン候補作成部での前記各挙動パターン候補（前記走行経路の候補）の演算時間を短くすることができる。

また、前記パターン選択部では、前記評価結果に基づいて、前記各挙動パターン候補の中から前記挙動パターンを絞り込む。これにより、前記走行軌道生成部では、全ての挙動パターン候補を対象として前記走行軌道の生成に最適な挙動パターンを探索することが不要となる。この結果、前記走行軌道生成部における前記走行軌道の演算時間を短くすることができると共に、前記時間の概念及び前記車両ダイナミクスが考慮された前記走行軌道に前記車両を追従させることが可能となる。

しかも、前記速度パターンが前記車両の目標速度の時系列であるため、加速に必要な長さの足りない走行経路や、カーブを前記車両がオーバーランするような走行経路に応じた挙動パターン候補が作成されることを回避することができる。これにより、全ての挙動パターン候補について前記速度パターンが同じであっても、車線に沿って前記車両が走行するという目的に対して、必要十分な挙動パターン候補を作成することが可能となる。

このように、本発明では、前記時間の概念を考慮して前記挙動パターン候補を算出する場合に、前記挙動パターン候補（前記走行経路の候補）の数が極力少なくなって、演算時間が短くなり、その扱いが容易になる。

また、前記パターン候補作成部は、同一の時点で前記制御量が異なるサブグループを少なくとも１つ含む複数の前記挙動パターン候補を作成すればよい。これにより、前記各挙動パターン候補の中から前記走行軌道に最適な挙動パターンを選択することが可能となる。

この場合、前記パターン候補作成部は、早い時点ほど前記制御量を示す点数が多く、遅い時点ほど点数が少ない２つ以上の前記サブグループを含む複数の前記挙動パターン候補を作成すればよい。これにより、無駄な前記挙動パターン候補の探索を回避しつつ、多数の前記挙動パターン候補の中から前記挙動パターンを絞り込むことができるので、さらなる演算時間の短縮化が可能となる。

さらに、前記評価処理部は、早い時点から遅い時点に向かって、前記サブグループの中から、前記制御量に応じた車両状態の算出と、算出した前記車両状態の評価値の算出とを、１つずつ順次行い、前記パターン選択部は、前記評価値に基づいて前記挙動パターンを選択する。この場合でも、前記評価値に基づいて、多数の前記挙動パターン候補の中から前記挙動パターンを絞り込むことで、演算時間の短縮化を図ることができる。

また、前記パターン選択部は、前記評価値が相対的に高い車両状態に応じた挙動パターン候補を前記挙動パターンとして選択すればよい。これにより、前記時間の概念及び前記車両ダイナミクスが考慮された最適な前記挙動パターンを選択することができる。

また、前記パターン候補作成部は、前記サブグループ内における同一の時点での前記制御量が等間隔となるように前記各挙動パターン候補を作成すれば、前記走行軌道を精度良く生成することが可能となる。

この場合、前記パターン候補作成部は、前記制御量が０の時系列プロットを含むように前記各挙動パターン候補を作成することで、前記評価処理部での評価処理を０に収束させることが可能となる。

また、前記評価処理部は、前記車両が走行しようとするレーンとの位置関係に基づいて、前記各車両状態を評価すれば、評価処理を効率よく行うことができる。

本発明に係る車両制御装置によれば、時間の概念を考慮して挙動パターン候補を算出する場合に、挙動パターン候補の数が極力少なくなって、演算時間が短くなり、その扱いが容易になる。

本発明の一実施形態に係る車両制御装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す中期軌道生成部の機能ブロック図である。 図２の機能ブロック図に関する動作説明に供されるフローチャートである。 本実施形態での走行経路の探索の概念図である。 速度パターンを示す図である。 自車両の運動モデルを示す概略図である。 操舵角速度の時間変化を示す図である。 操舵角の時間変化を示す図である。 走行経路候補を示す概略図である。 重み付けマップを示す図である。 挙動パターンを示す図である。

以下、本発明に係る車両制御装置について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

［車両制御装置１０の構成］
＜全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る車両制御装置１０の構成を示すブロック図である。車両制御装置１０は、車両１２０（図４、図６及び図９）に組み込まれており、且つ、車両１２０の自動運転又は自動運転支援を実行可能に構成される。車両制御装置１０は、制御システム１２と、入力装置と、出力装置とを備える。入力装置及び出力装置は、それぞれ、制御システム１２に通信線を介して接続されている。

入力装置は、外界センサ１４と、ナビゲーション装置１６と、車両センサ１８と、通信装置２０と、自動運転スイッチ２２と、操作デバイス２４に接続された操作検出センサ２６とを備える。

出力装置は、図示しない車輪を駆動する駆動力装置２８と、前記車輪を操舵する操舵装置３０と、前記車輪を制動する制動装置３２とを備える。

＜入力装置の具体的構成＞
外界センサ１４は、車両１２０の外界状態を示す情報（以下、外界情報）を取得する複数のカメラ３３と複数のレーダ３４を備え、取得した外界情報を制御システム１２に出力する。外界センサ１４は、さらに、複数のＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging；光検出と測距）装置を備えてもよい。

ナビゲーション装置１６は、車両１２０の現在位置を検出可能な衛星測位装置と、ユーザインタフェース（例えば、タッチパネル式のディスプレイ、スピーカ及びマイク）とを含んで構成される。ナビゲーション装置１６は、車両１２０の現在位置又はユーザによる指定位置に基づいて、指定した目的地までの経路を算出し、制御システム１２に出力する。ナビゲーション装置１６により算出された経路は、経路情報として記憶装置４０の経路情報記憶部４４に記憶される。

車両センサ１８は、車両１２０の速度（車速）を検出する速度センサ、加速度を検出する加速度センサ、横Ｇを検出する横Ｇセンサ、垂直軸周りの角速度を検出するヨーレートセンサ、向き・方位を検出する方位センサ、勾配を検出する勾配センサを含み、各センサからの検出信号を制御システム１２に出力する。これらの検出信号は、自車状態情報Ｉｖｈとして記憶装置４０の自車状態情報記憶部４６に記憶される。

通信装置２０は、路側機、他車、及びサーバを含む外部装置と通信可能に構成されており、例えば、交通機器に関わる情報、他車に関わる情報、プローブ情報又は最新の地図情報を送受信する。なお、地図情報は、ナビゲーション装置１６に記憶されると共に、地図情報として記憶装置４０の地図情報記憶部４２にも記憶される。

操作デバイス２４は、アクセルペダル、ステアリングホイール（ハンドル）、ブレーキペダル、シフトレバー、及び方向指示レバーを含んで構成される。操作デバイス２４には、ドライバによる操作の有無や操作量、操作位置を検出する操作検出センサ２６が取り付けられている。

操作検出センサ２６は、検出結果としてアクセル踏込量（アクセル開度）、ハンドル操作量（操舵量）、ブレーキ踏込量、シフト位置、右左折方向等を車両制御部６０に出力する。

自動運転スイッチ２２は、例えば、インストルメントパネルに設けられ、ドライバを含むユーザが、マニュアル操作により、非自動運転モード（手動運転モード）と自動運転モードとを切り替えるための押しボタンスイッチである。

この実施形態では、自動運転スイッチ２２が押される度に、自動運転モードと非自動運転モードとが切り替わるように設定されている。これに代わって、ドライバの自動運転意思確認の確実化のために、例えば、２度押しで非自動運転モードから自動運転モードに切り替わり、１度押しで自動運転モードから非自動運転モードに切り替わるように設定することもできる。

自動運転モードは、ドライバが、操作デバイス２４（具体的には、アクセルペダル、ステアリングホイール及びブレーキペダル）の操作を行わない状態で、車両１２０が制御システム１２による制御下に走行する運転モードである。換言すれば、自動運転モードは、制御システム１２が、逐次決定される行動計画（短期的には、後述する短期軌道Ｓｔ）に基づいて、駆動力装置２８、操舵装置３０、及び制動装置３２の一部又は全部を制御する運転モードである。

なお、自動運転モード中に、ドライバが、操作デバイス２４の操作を開始した場合には、自動運転モードは自動的に解除され、非自動運転モード（手動運転モード）に切り替わる。

＜出力装置の具体的構成＞
駆動力装置２８は、駆動力ＥＣＵ（電子制御装置；Electronic Control Unit）と、エンジン・駆動モータを含む駆動源とから構成される。駆動力装置２８は、車両制御部６０から入力される車両制御値Ｃｖｈに従って車両１２０が走行するための走行駆動力（トルク）を生成し、トランスミッションを介し、或いは直接に車輪に伝達する。

操舵装置３０は、ＥＰＳ（電動パワーステアリングシステム）ＥＣＵと、ＥＰＳ装置とから構成される。操舵装置３０は、車両制御部６０から入力される車両制御値Ｃｖｈに従って車輪（操舵輪）の向きを変更する。

制動装置３２は、例えば、油圧式ブレーキを併用する電動サーボブレーキであって、ブレーキＥＣＵと、ブレーキアクチュエータとから構成される。制動装置３２は、車両制御部６０から入力される車両制御値Ｃｖｈに従って車輪を制動する。

＜制御システム１２の構成＞
制御システム１２は、１つ又は複数のＥＣＵにより構成され、各種機能実現部の他、記憶装置４０等を備える。なお、機能実現部は、この実施形態では、ＣＰＵ（中央処理ユニット）が記憶装置４０に記憶されているプログラムを実行することにより機能が実現されるソフトウエア機能部であるが、集積回路等からなるハードウエア機能部により実現することもできる。

制御システム１２は、記憶装置４０及び車両制御部６０の他、外界認識部５２と、認識結果受信部５３と、局所環境マップ生成部５４と、統括制御部７０と、長期軌道生成部７１と、中期軌道生成部７２と、短期軌道生成部７３とを含んで構成される。ここで、統括制御部７０は、認識結果受信部５３、局所環境マップ生成部５４、長期軌道生成部７１、中期軌道生成部７２、及び短期軌道生成部７３のタスク同期を制御することで、各部の統括制御を行う。

外界認識部５２は、車両制御部６０からの自車状態情報Ｉｖｈを参照した上で、外界センサ１４からの外界情報（画像情報を含む）に基づき、車両１２０の両側のレーンマーク（白線）を認識すると共に、停止線までの距離、走行可能領域を含む「静的」な外界認識情報を生成する。また、外界認識部５２は、外界センサ１４からの外界情報に基づき、障害物（駐停車車両を含む）、交通参加者（人、他車両）、及び信号機の灯色｛青（緑）、黄（オレンジ）、赤｝等の「動的」な外界認識情報を生成する。

外界認識部５２は、それぞれ生成した静的及び動的な外界認識情報（以下、まとめて「外界認識情報Ｉｐｒ」ともいう）を認識結果受信部５３に出力（送信）する。これと併せて、外界認識情報Ｉｐｒは、記憶装置４０の外界認識情報記憶部４５に記憶される。

認識結果受信部５３は、演算指令Ａａに応答して、所定の演算周期Ｔｏｃ（基準周期又は基準演算周期）内に受信した外界認識情報Ｉｐｒを更新カウンタのカウント値と共に、統括制御部７０に出力する。ここで、演算周期Ｔｏｃは、制御システム１２の内部での基準の演算周期であり、例えば、数１０ｍｓ程度の値に設定されている。

局所環境マップ生成部５４は、統括制御部７０からの演算指令Ａｂに応答して、自車状態情報Ｉｖｈ及び外界認識情報Ｉｐｒを参照し、演算周期Ｔｏｃ内に局所環境マップ情報Ｉｅｍを生成して、更新カウンタのカウント値と共に、統括制御部７０に出力する。すなわち、制御の開始時には、局所環境マップ情報Ｉｅｍが生成されるまでに、演算周期２×Ｔｏｃを要する。

概略的に言えば、局所環境マップ情報Ｉｅｍは、外界認識情報Ｉｐｒに対して自車状態情報Ｉｖｈを合成した情報である。局所環境マップ情報Ｉｅｍは、記憶装置４０の局所環境マップ情報記憶部４７に記憶される。

長期軌道生成部７１は、統括制御部７０からの演算指令Ａｃに応答して、局所環境マップ情報Ｉｅｍ（外界認識情報Ｉｐｒのうち静的な成分のみ利用）、自車状態情報Ｉｖｈ、及び地図情報記憶部４２に記憶されている道路地図（カーブの曲率等）を参照して、相対的に最も長い演算周期（例えば、９×Ｔｏｃ）で長期軌道Ｌｔを生成する。そして、長期軌道生成部７１は、生成した長期軌道Ｌｔを更新カウンタのカウント値と共に、統括制御部７０に出力する。なお、長期軌道Ｌｔは、軌道情報Ｉｔとして記憶装置４０の軌道情報記憶部４８に記憶される。

中期軌道生成部７２は、統括制御部７０からの演算指令Ａｄに応答して、局所環境マップ情報Ｉｅｍ（外界認識情報Ｉｐｒのうち、動的な成分及び静的な成分の両方を利用）、自車状態情報Ｉｖｈ、及び長期軌道Ｌｔを参照して、相対的に中位の演算周期（例えば、３×Ｔｏｃ）で中期軌道Ｍｔを生成する。そして、中期軌道生成部７２は、生成した中期軌道Ｍｔを更新カウンタのカウント値と共に、統括制御部７０に出力する。なお、中期軌道Ｍｔは、長期軌道Ｌｔと同様に、軌道情報Ｉｒとして、軌道情報記憶部４８に記憶される。

短期軌道生成部７３は、統括制御部７０からの演算指令Ａｅに応答して、局所環境マップ情報Ｉｅｍ（外界認識情報Ｉｐｒのうち、動的な成分及び静的な成分の両方を利用）、自車状態情報Ｉｖｈ、長期軌道Ｌｔ、及び中期軌道Ｍｔを参照し、相対的に最も短い演算周期（例えば、Ｔｏｃ）で短期軌道Ｓｔを生成する。そして、短期軌道生成部７３は、生成した短期軌道Ｓｔを更新カウンタのカウント値と共に、統括制御部７０及び車両制御部６０に同時に出力する。なお、短期軌道Ｓｔは、長期軌道Ｌｔ及び中期軌道Ｍｔと同様に、軌道情報Ｉｒとして、軌道情報記憶部４８に記憶される。

なお、長期軌道Ｌｔは、例えば１０秒間程度の走行時間における軌道を示し、乗り心地・快適性を優先した軌道である。また、短期軌道Ｓｔは、例えば１秒間程度の走行時間における軌道を示し、車両ダイナミクスの実現及び安全性の確保を優先した軌道である。中期軌道Ｍｔは、例えば５秒間程度の走行時間における軌道を示し、長期軌道Ｌｔ及び短期軌道Ｓｔに対する中間的な軌道である。

短期軌道Ｓｔは、短周期Ｔｓ（＝Ｔｏｃ）毎の、車両１２０の目標挙動を示すデータセットに相当する。短期軌道Ｓｔは、例えば、縦方向（Ｘ軸）の位置ｘ、横方向（Ｙ軸）の位置ｙ、姿勢角θ、速度ｖ、加速度ｖａ、曲率ρ、ヨーレートγ、操舵角δｓｔをデータ単位とする軌道点列（ｘ，ｙ，θ，ｖ，ｖａ，ρ，γ，δｓｔ）である。また、長期軌道Ｌｔ又は中期軌道Ｍｔは、周期がそれぞれ異なるものの、短期軌道Ｓｔと同様に定義されたデータセットである。

車両制御部６０は、短期軌道Ｓｔ（軌道点列）にて特定される挙動に従って車両１２０が走行可能となる車両制御値Ｃｖｈを決定し、得られた車両制御値Ｃｖｈを駆動力装置２８、操舵装置３０、及び制動装置３２に出力する。

［中期軌道生成部７２の構成及び動作］
この実施形態における車両制御装置１０は、以上のように構成される。続いて、中期軌道生成部７２の構成及び動作について、図２〜図１１を参照しながら詳細に説明する。

＜中期軌道生成部７２の機能ブロック図＞
図２は、図１に示す中期軌道生成部７２の機能ブロック図である。中期軌道生成部７２は、経路候補（挙動パターン候補）を生成し、生成した経路候補から所望の経路（挙動パターン）を選択する走行経路生成部８０と、所望の経路を用いて出力軌道（ここでは、走行軌道としての中期軌道Ｍｔ）を生成する出力軌道生成部８２（走行軌道生成部）とを備える。

走行経路生成部８０は、局所環境マップ情報Ｉｅｍ、自車状態情報Ｉｖｈ及び上位階層軌道（具体的には、長期軌道Ｌｔ）を用いて、車両１２０が通過すべき点列（ｘ，ｙ）の候補（つまり、経路候補）を生成し、生成した点列（ｘ，ｙ）の候補の中から最適な点列（ｘ，ｙ）（つまり、所望の経路）を選択する。すなわち、走行経路生成部８０は、車両１２０が通る幾何学的な直線や曲線を表わした、時間の概念のない経路の点列（ｘ，ｙ）を生成する。そして、走行経路生成部８０は、速度パターン取得部８４、制約条件設定部８６、パターン候補作成部８８、評価処理部９０、重み付けテーブル９２及びパターン選択部９４を含んで構成される。

速度パターン取得部８４は、長期軌道Ｌｔに含まれる、車両１２０の目標速度の時系列を示す速度パターン（図５）を取得する。制約条件設定部８６は、車両１２０の車幅方向（Ｙ方向）の挙動に相関する制御量の制約条件を設定する。この場合、制御量としては、例えば、上述の操舵角δｓｔ、左右の車輪に対する制動力又は駆動力、車両１２０が４ＷＳ（４ Wheel Steering）の車両であるときの後輪の操舵角、がある。

パターン候補作成部８８は、速度パターン取得部８４で取得された速度パターンと、制約条件設定部８６で設定された制約条件とを用いて、制御量（操舵角δｓｔ又は操舵角速度ｄδｓｔ／ｄｔ）の時系列プロットを示す挙動パターン候補を複数作成する。なお、挙動パターン候補は、走行経路の候補（経路候補）に応じた制御量の時系列プロットである。

評価処理部９０は、重み付けテーブル９２（図１０）を参照することにより、パターン候補作成部８８で作成された複数の挙動パターン候補により特定される車両状態を評価する。この場合、車両状態としては、例えば、車両１２０の位置ｘ、ｙ、姿勢角θｚ、ヨーレートγがある。パターン選択部９４は、評価処理部９０での各車両状態に対する評価結果に基づいて、複数の挙動パターン候補の中から、時点毎の制御量の組み合わせに応じた所望の挙動パターンを選択する。なお、挙動パターンは、所望の走行経路に応じた時点毎の制御量の組み合わせである。

一方、出力軌道生成部８２は、走行経路生成部８０により生成された挙動パターン（に応じた経路）の他、局所環境マップ情報Ｉｅｍ、自車状態情報Ｉｖｈ及び長期軌道Ｌｔを用いて、中期軌道Ｍｔを生成する。すなわち、出力軌道生成部８２は、時点毎に車両１２０がどのような状態であるのかを記述した走行軌道を、中期軌道Ｍｔとして生成する。出力軌道生成部８２は、軌道作成部９６、評価部９８及び出力軌道決定部１００を含んで構成される。

軌道作成部９６は、パターン選択部９４が選択した挙動パターンに応じた経路に対して、所望の速度パターン（図５）を合成することにより、軌道候補の集合体を作成する。評価部９８は、例えば、軌道候補と上位階層軌道（長期軌道Ｌｔ）との偏差や、軌道候補と外界認識情報Ｉｐｒとの偏差を算出し、算出した偏差に基づく評価値を算出することにより、軌道候補を評価する。出力軌道決定部１００は、１つ又は複数の軌道候補の中から評価結果が最も優れた（評価値が最大である）軌道候補を選択し、選択した軌道候補を中期軌道Ｍｔとして出力する。

＜中期軌道生成部７２の動作＞
続いて、中期軌道生成部７２の動作について、図３のフローチャート及び図４〜図１１を参照しながら詳細に説明する。

図４は、仮想空間１２２上における車両１２０において、軌道候補を生成する場合を図示した概念図である。この仮想空間１２２は、車両１２０の位置を示す始点１２４を原点Ｏとするローカル座標系によって定義される平面空間である。仮想空間１２２上のＸ軸は、車両１２０の進行方向（つまり、車長方向）に相当する。また、Ｙ軸は、Ｘ軸に直交する座標軸であって、車両１２０の車幅方向に相当する。

図４は、車両１２０が現在位置である始点１２４からΔｔ１秒後に複数の経由点１２６のうちの１つに到達し、Δｔ２秒後に１つの経由点１２６から複数の経由点１２８のうちの１つに到達し、Δｔ３秒後に１つの経由点１２８から複数の経由点１３０のうちの１つに到達することを示している。

この場合、車両１２０と複数の経由点１２６とを結ぶ矢印は、現在位置からΔｔ１秒後に車両１２０が到達可能な軌道候補を示す。また、１つの経由点１２６と複数の経由点１２８とを結ぶ矢印は、Δｔ２秒後に車両１２０が到達可能な軌道候補を示す。さらに、１つの経由点１２８と複数の経由点１３０とを結ぶ矢印は、Δｔ３秒後に車両１２０が到達可能な軌道候補を示す。従って、始点１２４から、車両１２０が辿る矢印の先の各経由点１２６〜１３０を結ぶことにより、中期軌道Ｍｔを生成することが可能となる。

図３のフローチャートは、最適な中期軌道Ｍｔを生成するための中期軌道生成部７２内の処理内容を図示したものである。

ステップＳ１において、速度パターン取得部８４は、長期軌道Ｌｔの中から速度パターンを抽出する。速度パターンは、図５に示すように、車両１２０の目標速度の時系列を示すものであり、上位階層軌道（長期軌道Ｌｔ）の理想的な速度パターンである。

ステップＳ２において、制約条件設定部８６は、車両１２０の車幅方向（Ｙ方向）の挙動に相関する制御量（例えば、操舵角δｓｔ、操舵角速度ｄδｓｔ／ｄｔ）の制約条件を設定する。

図６は、ステップＳ２以降の処理に適用される車両１２０の運動モデル（車両モデル）を示す。この車両モデルでは、車両１２０の左右の前輪１４２ｆ及び後輪１４２ｒを、原点Ｏ（始点１２４）からＸ軸に沿って距離ｌｆ、ｌｒの位置にある擬似的な前輪１４４ｆ及び後輪１４４ｒに置き換えている。

この場合、運転者がステアリングホイールを左に切ることにより、前輪１４４ｆの操舵角δｓｔがＸ軸に対して反時計方向にＳｔｒだけ変化すると、車両１２０の姿勢角θは、原点Ｏを中心に反時計方向に変化する。なお、前輪１４４ｆには、左右の前輪１４２ｆにそれぞれ作用する力Ｆｆを合成したＹ軸方向の力２Ｆｆが作用する。また、後輪１４４ｒには、左右の後輪１４２ｒにそれぞれ作用する力Ｆｒを合成したＹ軸方向の力２Ｆｒが作用する。また、図６には、車両１２０の速度ｖの方向も図示されている。

ここで、制約条件設定部８６は、車両１２０の横Ｇのリミット値と、速度パターン中の各時点での速度とに基づいて、操舵角Ｓｔｒのリミット値Ｓｔｒｌ（Ｓｔｒ≦｜Ｓｔｒｌ｜）と、操舵角速度ｄδｓｔ／ｄｔ（以下、操舵角速度Ｓｔｒｒともいう。）のリミット値Ｓｔｒｒｌ（Ｓｔｒｒ≦｜Ｓｔｒｒｌ｜）とを算出する。

図７は、時点０からΔｔ秒後までの操舵角速度Ｓｔｒｒの時間変化を示す図である。図８は、時点０からΔｔ秒後までの操舵角Ｓｔｒの時間変化を示す図である。図８中、Ｓｔｒ０は、時点０での操舵角Ｓｔｒ（初期操舵角Ｓｔｒ０）を示す。なお、図８において、操舵角Ｓｔｒの正方向は、ステアリングホイールの時計方向（右方向）への回転を示し、操舵角Ｓｔｒの負方向は、ステアリングホイールの反時計方向（左方向）への回転を示す。

制約条件設定部８６は、リミット値Ｓｔｒｌ、Ｓｔｒｒｌを設定することにより、これらのリミット値Ｓｔｒｌ、Ｓｔｒｒｌを超えるような経路及び中期軌道Ｍｔが中期軌道生成部７２内で生成されることを防止する。

ステップＳ３において、パターン候補作成部８８は、図５の速度パターンと、図７及び図８のリミット値Ｓｔｒｌ、Ｓｔｒｒｌとに基づいて、複数の挙動パターン候補（に応じた経路候補）を作成する。

具体的に、パターン候補作成部８８は、時点０からΔｔ秒までの時間帯において、正のリミット値＋Ｓｔｒｒｌと負のリミット値−Ｓｔｒｒｌとの間を、等間隔に所定数（例えば、２０点）サンプリングした操舵角速度Ｓｔｒｒと、Ｓｔｒｒ＝０との合計で２１点（２１パターン）の操舵角速度Ｓｔｒｒのサブグループを設定する。次に、パターン候補作成部８８は、図８において、正のリミット値＋Ｓｔｒｌと負のリミット値−Ｓｔｒｌとの間で、２１パターンの操舵角速度Ｓｔｒｒに応じた操舵角Ｓｔｒの時間変化を示す直線を、初期操舵角Ｓｔｒ０からΔｔ秒の時点まで引く。

次に、パターン候補作成部８８は、下記の（１）式及び（２）式により、２１パターンの操舵角速度Ｓｔｒｒ及び操舵角Ｓｔｒについて、Δｔ秒後の車両１２０の状態、すなわち、位置ｘ、ｙ、姿勢角θ及びヨーレートγ（以下、ヨーレートｙａｗｒともいう。）を算出する。

なお、（１）式及び（２）式において、括弧内のｔは、任意の時点ｔ（＝Ｔ＋Δｔ）を示す。この場合、Ｔは、初期操舵角Ｓｔｒ０の時点をいい、図７及び図８の例では、Ｔ＝０である。また、ｖｅｌは、車両１２０の速度であり、αは車両１２０のギア比、Ｗは、任意の定数を示す。

従って、パターン候補作成部８８は、上記（１）式及び（２）式によって車両１２０の状態を求めることにより、時間の概念及び車両ダイナミクスを考慮した２１パターンの挙動パターン候補を作成することができる。従って、パターン候補作成部８８は、２１パターンの挙動パターン候補から点列（ｘ，ｙ）を生成し、生成した点列（ｘ，ｙ）を用いて、時点０からΔｔ秒後までの２１パターンの経路候補１４６を作成することができる。

図９は、パターン候補作成部８８により作成された経路候補１４６を示す図である。図９では、２１パターンの経路候補１４６のうち、代表的に、Ｓｔｒ＝０での経路候補１４６を含む、合計で９個の経路候補１４６を図示している。

ステップＳ４において、評価処理部９０は、時点Ｔ（＝０）での車線１４８（レーン）に対する車両１２０のＹ軸方向の偏差Δｙ０と、姿勢角θの偏差Δθ０とを算出する。次に、評価処理部９０は、重み付けテーブル９２を参照して、各偏差Δｙ０、Δθ０に応じた評価関数の重みＷｙを決定する。図１０は、重み付けテーブル９２を示す各偏差Δｙ、Δθ及び重みＷｙの３次元マップの一例である。

ステップＳ５において、評価処理部９０は、２１パターンの挙動パターン候補について、Δｔ秒後の偏差Δｙ、Δθを算出する。次に、評価処理部９０は、算出した２１パターンのＹ軸方向の偏差Δｙについて、最大値Δｙｍａｘ及び最小値Δｙｍｉｎを特定すると共に、算出した２１パターンの姿勢角θの偏差Δθについて、最大値Δθｍａｘ及び最小値Δθｍｉｎを特定する。

ステップＳ６において、評価処理部９０は、下記の（３）式により、２１パターンの挙動パターン候補に対する評価値Ｑを算出する。

ステップＳ７において、パターン選択部９４は、各評価値Ｑに基づいて、２１パターンの挙動パターン候補の中から、所望の挙動パターンを選択する。この場合、パターン選択部９４は、評価値Ｑが相対的に高い上位の車両状態を示す挙動パターン候補を所望の挙動パターンとして選択する。例えば、時点０からΔｔ秒後のサブグループを構成する２１個のサンプリングについて、評価値Ｑが高いものから順に上位５個（、３個又は１個）のサンプリングを抽出し、抽出したサンプリングに応じた挙動パターン候補を所望の挙動パターン（所望の経路）として選択する。

ステップＳ８において、走行経路生成部８０は、経路の生成処理を終了すべきか否かを判定する。Δｔ秒以降の経路生成処理が必要である場合（ステップＳ８：ＮＯ）、走行経路生成部８０は、ステップＳ２に戻り、ステップＳ２〜Ｓ７の処理を繰り返し実行する。従って、走行経路生成部８０は、経路の生成が完了するまで、ステップＳ２〜Ｓ８の処理を繰り返し行う。

この結果、図１１に示すように、時点０からΔｔ１秒、Δｔ２秒、Δｔ３秒、Δｔ４秒、Δｔ５秒と経過する毎に、挙動パターン候補（経路候補１４６）が作成され、パターン選択部９４によって選択された経路候補１４６を時点０からΔｔ５秒まで繋ぎ合わせたものが所望の経路１５０として出力軌道生成部８２に出力される。なお、前述のように、経路候補１４６が挙動パターン候補に応じた経路であると共に、経路１５０が挙動パターンに応じた経路であるが、図１１では、説明の便宜上、操舵角Ｓｔｒの時間変化を示す直線に対して、経路候補１４６及び経路１５０の参照符号を付けている。

ここでは、図１１について、より詳しく説明する。

時点０からΔｔ１秒までの時間帯においては、図３のステップＳ２〜Ｓ８の処理によって、前述のように、時点ｔ０での１つの初期操舵角Ｓｔｒ０に基づき得られた２１パターンの経路候補１４６の中から、５つの経路候補１４６が経路１５０の一部として選択される。この場合、Δｔ１秒での２１個のサンプリングのサブグループに対しては、「ｔ＝Ｔ＋Δｔ」を用いた上記（１）式及び（２）式は、Ｔ＝０、Δｔ＝Δｔ１に置換して適用される。

また、Δｔ１秒からΔｔ２秒までの時間帯では、初期操舵角Ｓｔｒ０は、Δｔ１秒で選択された５つの経路候補１４６の点（経由点）での操舵角となる。そのため、図３のステップＳ２〜Ｓ８の処理では、５つの経路候補１４６に応じた初期操舵角Ｓｔｒ０のそれぞれについて、Δｔ１秒からΔｔ２秒までの操舵角の時間変化を示す直線が引かれ、それぞれの直線に応じた経路候補１４６に対して評価処理や経路１５０の選択処理が行われる。この結果、Δｔ２秒後には、Δｔ１秒での５つの初期操舵角Ｓｔｒ０（に応じた点）に対して、それぞれ、評価値Ｑが上位の５つの経路候補１４６が経路１５０の一部として選択される。この場合、Δｔ２秒での複数個のサンプリングのサブグループに対して、ステップＳ２〜Ｓ８の処理では、「ｔ＝Ｔ＋Δｔ」を用いた（１）式及び（２）式は、Ｔ＝Δｔ１、Δｔ＝Δｔ２に置換して適用される。

以下同様に、Δｔ２秒からΔｔ３秒までの時間帯では、初期操舵角Ｓｔｒ０は、Δｔ２秒で選択された５つの経路候補１４６の点での操舵角となる。この場合も、５つの経路候補１４６に応じた初期操舵角Ｓｔｒ０のそれぞれについて、Δｔ２秒からΔｔ３秒までの操舵角の時間変化を示す直線が引かれ、それぞれの直線に応じた経路候補１４６に対して評価処理や経路１５０の選択処理が行われる。この結果、Δｔ３秒後には、Δｔ２秒での５つの初期操舵角Ｓｔｒ０に対して、それぞれ、評価値Ｑが上位の３つの経路候補１４６が経路１５０の一部として選択される。この場合、「ｔ＝Ｔ＋Δｔ」を用いた（１）式及び（２）式は、Ｔ＝Δｔ２、Δｔ＝Δｔ３に置換して適用される。

また、Δｔ３秒からΔｔ４秒までの時間帯では、初期操舵角Ｓｔｒ０は、Δｔ３秒で選択された３つの経路候補１４６の点での操舵角となる。この場合も、３つの経路候補１４６に応じた初期操舵角Ｓｔｒ０のそれぞれについて、Δｔ３秒からΔｔ４秒までの操舵角の時間変化を示す直線が引かれ、それぞれの直線に応じた経路候補１４６に対して評価処理や経路１５０の選択処理が行われる。この結果、Δｔ４秒後には、Δｔ３秒での３つの初期操舵角Ｓｔｒ０に対して、それぞれ、評価値Ｑが上位の３つの経路候補１４６が経路１５０の一部として選択される。この場合、「ｔ＝Ｔ＋Δｔ」を用いた（１）式及び（２）式は、Ｔ＝Δｔ３、Δｔ＝Δｔ４に置換して適用される。

さらに、Δｔ４秒からΔｔ５秒までの時間帯では、初期操舵角Ｓｔｒ０は、Δｔ４秒で選択された３つの経路候補１４６の点での操舵角となる。この場合も、３つの経路候補１４６に応じた初期操舵角Ｓｔｒ０のそれぞれについて、Δｔ４秒からΔｔ５秒までの操舵角の時間変化を示す直線が引かれ、それぞれの直線に応じた経路候補１４６に対して評価処理や経路１５０の選択処理が行われる。この結果、Δｔ５秒後には、Δｔ４秒での３つの初期操舵角Ｓｔｒ０に対して、それぞれ、評価値Ｑが上位の１つの経路候補１４６が経路１５０の一部として選択される。この場合、「ｔ＝Ｔ＋Δｔ」を用いた（１）式及び（２）式は、Ｔ＝Δｔ４、Δｔ＝Δｔ５に置換して適用される。

以上のように、図１１の例では、操舵角Ｓｔｒ及び操舵角速度Ｓｔｒｒをパラメータとし、速度ｖｅｌ及び時点ｔ（時点０、Δｔ１秒、Δｔ２秒、Δｔ３秒、Δｔ４秒、Δｔ５秒の離散時間）を固定値として、経路候補１４６及び経路１５０の探索を行う。この場合、時点０からΔｔ５秒までの時間帯において、５×５×３×３×１の組み合わせで合計２２５パターンの経路１５０が選択される。なお、図１１では、図示の簡略化のため、Δｔ１秒以降、経路候補１４６及び経路１５０の一部のみ図示している。

また、図１１の例では、早い時点でのサンプリング数は多くなる一方で、遅い時点でのサンプリング数は少なくなるように、時間が経過するほど経路候補１４６の数が少なくなるように設定されている。これにより、走行経路生成部８０内での処理負荷が軽減される。なお、図１１では、時点０からΔｔ５秒までの時間間隔を等間隔にしているが、時点０付近の早い時点を短い間隔とし、遅い時点を粗い間隔とすることも可能である。

ステップＳ９において、軌道作成部９６は、パターン選択部９４から入力された経路１５０に速度パターンを合成して、軌道候補（中期軌道Ｍｔの候補）の集合体を作成する。ステップＳ１０において、評価部９８は、軌道候補と長期軌道Ｌｔとの偏差や、軌道候補と外界認識情報Ｉｐｒとの偏差を算出し、算出した偏差に基づく評価値を算出する。ステップＳ１１において、出力軌道決定部１００は、１つ又は複数の軌道候補の中から最大の評価値を示す軌道候補を選択し、選択した軌道候補を中期軌道Ｍｔとして出力する。

［この車両制御装置１０による効果］
以上のように、車両制御装置１０は、［１］車両１２０の中期軌道Ｍｔを逐次生成すると共に中期軌道Ｍｔに基づいて車両１２０を制御する装置であって、［２］車両１２０の目標速度の時系列を示す速度パターンを取得する速度パターン取得部８４と、［３］車両１２０の車幅方向（Ｙ軸方向）の挙動に相関する制御量（操舵角Ｓｔｒ、操舵角速度Ｓｔｒｒ）の制約条件（リミット値Ｓｔｒｌ、Ｓｔｒｒｌ）を設定する制約条件設定部８６と、［４］速度パターン取得部８４で取得された速度パターン及び制約条件設定部８６で設定された制約条件を用いて制御量の時系列プロットである挙動パターン候補（経路候補１４６）を複数作成するパターン候補作成部８８と、［５］パターン候補作成部８８で作成された各経路候補１４６により特定される車両状態を評価する評価処理部９０と、［６］評価処理部９０での各車両状態に対する評価結果に基づいて各挙動パターン候補（経路候補１４６）の中から時点毎の制御量の組み合わせを示す挙動パターン（経路１５０）を選択するパターン選択部９４と、［７］パターン選択部９４で選択された経路１５０に基づいて中期軌道Ｍｔを生成する出力軌道生成部８２とを備える。

このように、本実施形態では、速度パターン（時間の概念）を考慮して各挙動パターン候補を作成する場合、Ｙ軸方向の挙動（車両１２０の運動モデル、車両ダイナミクス）に基づく制約条件（車両運動限界）を考慮して各挙動パターン候補を作成する。これにより、制約条件を満たす挙動パターン候補のみ作成されるので、各挙動パターン候補の数を少なくすることができる。この結果、パターン候補作成部８８での各挙動パターン候補の演算時間を短くすることができる。

また、パターン選択部９４では、評価結果に基づいて、各挙動パターン候補の中から挙動パターンを絞り込む。これにより、出力軌道生成部８２では、全ての挙動パターン候補を対象として中期軌道Ｍｔの生成に最適な挙動パターンを探索することが不要となる。この結果、出力軌道生成部８２における中期軌道Ｍｔの演算時間を短くすることができると共に、時間の概念及び車両ダイナミクスが考慮された中期軌道Ｍｔに車両１２０を追従させることが可能となる。

しかも、速度パターンが車両１２０の目標速度の時系列であるため、加速に必要な長さの足りない走行経路や、カーブを車両１２０がオーバーランするような走行経路に応じた挙動パターン候補が作成されることを回避することができる。これにより、全ての挙動パターン候補について速度パターンが同じであっても、車線１４８に沿って走行するという目的に対して、必要十分な挙動パターン候補を作成することが可能となる。

このように、本実施形態では、時間の概念を考慮して挙動パターン候補を算出する場合に、挙動パターン候補の数が極力少なくなって、演算時間が短くなり、その扱いが容易になる。

また、パターン候補作成部８８は、同一の時点で制御量が異なるサブグループを少なくとも１つ含む複数の挙動パターン候補を作成すればよい。これにより、各挙動パターン候補の中から中期軌道Ｍｔに最適な挙動パターンを選択することが可能となる。

この場合、パターン候補作成部８８は、早い時点ほど制御量を示す点数（サンプリング数）が多く、遅い時点ほど点数が少ない２つ以上のサブグループを含む複数の挙動パターン候補を作成すればよい。これにより、無駄な挙動パターン候補の探索を回避しつつ、多数の挙動パターン候補の中から挙動パターンを絞り込むことができるので、さらなる演算時間の短縮化が可能となる。

さらに、評価処理部９０は、早い時点から遅い時点に向かって、サブグループの中から、（１）式及び（２）式を用いた制御量に応じた車両状態の算出と、算出した車両状態についての重み付けテーブル９２及び（３）式を用いた評価値Ｑの算出とを、１つずつ順次行い、パターン選択部９４は、評価値Ｑに基づいて挙動パターンを選択する。この場合でも、評価値Ｑに基づいて、多数の挙動パターン候補の中から挙動パターンを絞り込むことで、演算時間の短縮化を図ることができる。

また、パターン選択部９４は、評価値Ｑが相対的に高い車両状態に応じた挙動パターン候補を挙動パターンとして選択する。これにより、時間の概念及び車両ダイナミクスが考慮された最適な挙動パターンを選択することができる。

さらに、パターン候補作成部８８は、サブグループ内における同一の時点での制御量が等間隔となるように各挙動パターン候補を作成すればよい。これにより、中期軌道Ｍｔを精度良く生成することが可能となる。

この場合、パターン候補作成部８８は、制御量が０の時系列プロットを含むように各挙動パターン候補を作成することで、評価処理部９０での評価処理を０に収束させることが可能となる。

また、評価処理部９０は、車両１２０が走行しようとする車線１４８との位置関係に基づいて、各車両状態を評価すれば、評価処理を効率よく行うことができる。

［補足］
なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

上記の説明では、制御量が操舵角Ｓｔｒ、操舵角速度Ｓｔｒｒである場合について説明した。本実施形態では、制御量は、車両１２０の車幅方向（Ｙ方向）の挙動に相関するものであればよいので、左右の前輪１４２ｆ及び後輪１４２ｒに対する制動力又は駆動力、４ＷＳの車両１２０にあっては左右の後輪１４２ｒの操舵角を制御量としてもよい。

１０…車両制御装置 １２…制御システム
１４…外界センサ １６…ナビゲーション装置
１８…車両センサ ２０…通信装置
２２…自動運転スイッチ ２４…操作デバイス
２６…操作検出センサ ２８…駆動力装置
３０…操舵装置 ３２…制動装置
４０…記憶装置 ５２…外界認識部
５４…局所環境マップ生成部 ６０…車両制御部
７０…統括制御部 ７１…長期軌道生成部
７２…中期軌道生成部 ７３…短期軌道生成部
８０…走行経路生成部 ８２…出力軌道生成部
８４…速度パターン取得部 ８６…制約条件設定部
８８…パターン候補作成部 ９０…評価処理部
９２…重み付けテーブル ９４…パターン選択部
９６…軌道作成部 ９８…評価部
１００…出力軌道決定部 １２０…車両
１２２…仮想空間 １２４…始点
１２６〜１３０…経由点 １４２ｆ、１４４ｆ…前輪
１４２ｒ、１４４ｒ…後輪 １４６…経路候補
１４８…車線 １５０…経路

Claims (8)

1. 車両の走行軌道を逐次生成すると共に、前記走行軌道に基づいて前記車両を制御する車両制御装置であって、
   前記車両の目標速度の時系列を示す速度パターンを取得する速度パターン取得部と、
   前記車両の車幅方向の挙動に相関する制御量の制約条件を設定する制約条件設定部と、
   前記速度パターン取得部で取得された前記速度パターン、及び、前記制約条件設定部で設定された前記制約条件を用いて、前記制御量の時系列プロットである挙動パターン候補を複数作成するパターン候補作成部と、
   前記パターン候補作成部で作成された前記各挙動パターン候補により特定される車両状態を評価する評価処理部と、
   前記評価処理部での前記各車両状態に対する評価結果に基づいて、前記各挙動パターン候補の中から、時点毎の前記制御量の組み合わせを示す挙動パターンを選択するパターン選択部と、
   前記パターン選択部で選択された前記挙動パターンに基づいて前記走行軌道を生成する走行軌道生成部と、
   を備えることを特徴とする車両制御装置。
2. 請求項１に記載の車両制御装置において、
   前記パターン候補作成部は、同一の時点で前記制御量が異なるサブグループを少なくとも１つ含む複数の前記挙動パターン候補を作成することを特徴とする車両制御装置。
3. 請求項２に記載の車両制御装置において、
   前記パターン候補作成部は、早い時点ほど前記制御量を示す点数が多く、遅い時点ほど点数が少ない２つ以上の前記サブグループを含む複数の前記挙動パターン候補を作成することを特徴とする車両制御装置。
4. 請求項３に記載の車両制御装置において、
   前記評価処理部は、早い時点から遅い時点に向かって、前記サブグループの中から、前記制御量に応じた車両状態の算出と、算出した前記車両状態の評価値の算出とを、１つずつ順次行い、
   前記パターン選択部は、前記評価値に基づいて前記挙動パターンを選択することを特徴とする車両制御装置。
5. 請求項４に記載の車両制御装置において、
   前記パターン選択部は、前記評価値が相対的に高い車両状態に応じた挙動パターン候補を前記挙動パターンとして選択することを特徴とする車両制御装置。
6. 請求項２〜５のいずれか１項に記載の車両制御装置において、
   前記パターン候補作成部は、前記サブグループ内における同一の時点での前記制御量が等間隔となるように前記各挙動パターン候補を作成することを特徴とする車両制御装置。
7. 請求項６に記載の車両制御装置において、
   前記パターン候補作成部は、前記制御量が０の時系列プロットを含むように前記各挙動パターン候補を作成することを特徴とする車両制御装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の車両制御装置において、
   前記評価処理部は、前記車両が走行しようとするレーンとの位置関係に基づいて、前記各車両状態を評価することを特徴とする車両制御装置。

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