JP2019513612A - 車両を制御するコントローラー及び方法並びに非一時的コンピューター可読メモリ - Google Patents

Abstract

方法が、車両の動きの第１のモデル及び第２のモデルと、所望の軌道に沿って移動するための第１のモデルに対する第１の制約と、第１のモデル及び第２のモデルの状態を組み合わせた制御不変集合とを選択する。制御不変部分集合内の状態の組み合わせごとに、第１の制約を満たす第１のモデルの状態のあらゆる変更について、第２のモデルの状態を制御不変集合内に維持する第２のモデルに対する少なくとも１つの制御動作が存在する。第１の制約を満たす軌道の部分が、第１のモデルを用いて求められるとともに、この軌道の部分に沿って車両を移動させるコマンドのシーケンスが、第２のモデルを用いて求められる。このコマンドのシーケンスは、上記軌道の部分によって決定される第２のモデル及び第１のモデルの状態のシーケンスを部分集合内に維持するように求められる。

Description

本発明は、自動車両の動き（motion：運動）を制御することに関し、特に、所望の軌道に追従するように車両を制御することに関する。

先進運転支援（ＡＤＡ）機構及び自律運転（ＡＤ）機構では、制御システムは、所望の目的を達成するように車両を制御する。そのような目的の例としては、現在の車線を維持すること、異なる車線に変更すること、障害物を回避すること、又は交通規則を守りながら特定のロケーションに運転することが挙げられる。

この目的は、車両が追従しなければならない経路又は軌道として表すことができる。例えば、この軌道は、意思決定方法、経路プランナー、ナビゲーションシステムによって生成することができる。目的を実際に成し遂げるには、生成された軌道に実際に追従するように車両を制御しなければならない。例えば、車両コントローラー（ＶＣ）は、例えば、監視コントローラー（ＳＣ）から軌道を受信することができ、車両をこの軌道に追従させるステアリングコマンドを求める。ＶＣコマンドは、例えば、電力ステアリングモジュール内のアクチュエーターコントローラー（ＡＣ）によって受信され、適切な電気機械デバイスによって作動され、その結果、車両をＳＣ軌道に追従させるように車両の動きを変更する。そのために、ＳＣ、ＶＣ、及びＡＣ等の車両制御の種々の構成要素又は層を適切に連係させて、共通の目的のためにともに動作させる必要がある。例えば、各上位層は、その計算結果を生成する際の下位層の挙動を考慮する必要がある。そのような連係は、一般に困難である。

例えば、ＳＣ及びＶＣの連係において、車両がＳＣ軌道を正確に実行することができるという保証はない。これは、ＳＣが、軌道計算をより高速に実行するために、例えば、縦及び横のスリップ、又は道路摩擦、又は道路勾配等の現象を無視する車両の動きの簡略化モデルを用いて軌道を生成することに起因し得る。また、これは、ＳＣによって知られていないか又は考慮されていない場合があるタイヤの摩耗、質量中心からの前車軸及び後車軸の異なる距離等の外部要因の存在にも起因し得る。したがって、所望の軌道に従って車両を移動させる共通の目的を有する車両の種々の構成要素の協調制御が必要である。

幾つかの実施の形態は、軌道に追従する車両の動きの性能が動きの目的に依存するという認識に基づいている。例えば、軌道に追従する車両の動きの性能は、動きの現在の目的に応じた性能尺度（Ｍ）を満たす必要がある。例えば、幾つかの状況では、車両は、所望の軌道に正確に追従する必要はないが、車両の実際の軌道と所望の軌道との間の最大差は、閾値未満である必要がある。幾つかの実施の形態は、そのような性能尺度は、車両を制御する実際の実用性から得ることができるが、動きの目的のための所望の軌道を生成している間に考慮することもできるという認識に基づいている。例えば、動きの目的が車線維持である場合、全ての可能な所望の軌道は、閾値以上の車線の境界からの安全マージンを有する必要がある。同様に、動きの目的が衝突回避である場合、全ての可能な所望の軌道は、閾値以上の障害物からの安全距離マージンを維持する必要がある。

したがって、所望の軌道に沿って車両を制御している間に達成する必要がある性能尺度Ｍは、生成することが可能である所望の軌道のタイプと関係がある。そのために、所望の軌道の生成及び所望の軌道に従った車両制御は、順次的であるだけでなく、相互に依存したプロセスでもある。例えば、所望の軌道が監視コントローラー（ＳＣ）によって生成され、所望の軌道に沿った車両の動きが車両コントローラー（ＶＣ）によって制御される場合、ＳＣとＶＣとの間の協調は、ＳＣが特性Ｐを満たす所望の軌道を生成する場合に、ＶＣが性能尺度Ｍを満たす車両を制御することができるという相互依存関係を含むことができる。

幾つかの実施の形態は、そのような相互依存関係が、所望の軌道の生成及び所望の軌道に従った車両の制御に異なる動きモデルを用いる必要があることによって複雑化されるという認識に基づいている。例えば、所望の軌道を生成するには、より長い将来のホライズンを検討する必要がある。長期間の将来のホライズンにわたって車両の動きを計算する複雑な物理モデルを有することは、計算的に困難である。逆に、所望の軌道が知られているとき、この所望の軌道に従った車両の制御は、次の制御ステップ又は短い将来のホライズンのみを検討することができる。加えて、車両の制御は、軌道生成プロセスよりも正確である必要がある。

そのために、幾つかの実施の形態は、所望の軌道の生成及び所望の軌道に従った車両の制御に異なる動きモデルを用いる。例えば、追従する所望の軌道を生成するためにＳＣによって用いられる第１の動きモデルは、車両を制御するためにＶＣによって用いられる第２の動きモデルよりも単純である。例えば、ＶＣによって用いられる第２のモデルの次数は、ＳＣによって用いられる第１のモデルの次数よりも高い。例えば、モデルの次数は、モデルにおける状態変数の数によって定義することができる。異なるモデルを用いることによって、ＡＤＡ又はＡＤシステムの計算要件は単純化されるが、ＳＣとＶＣとの間の相互依存関係の確立は複雑化される。

幾つかの実施の形態は、モデルに課される制約を通じてＳＣ及びＶＣの異なるモデル間の相互依存関係を確立することができるという認識に基づいている。例えば、性能尺度Ｍを満たすための要件は、車両の状態に対する制約及び／又はＶＣによって用いられる車両の第２のモデルに対する制約に変換することができる。具体的には、そのような制約は、車両の現在の状態が性能尺度Ｍを満たすことと、車両の現在の状態を変化させるそのような制御動作が、所望の軌道に沿った位置も変化している間、性能尺度Ｍに違反することなく存在することとを指定することができる。そのようにして、制約は、車両の動きが性能メトリックＭを常に満たすことを保証する。幾つかの実施の形態は、第１のモデルと第２のモデルとの間の差に起因して、車両の状態に対するそのような制約を常に求めることが可能であるとは限らないという認識に基づいている。そのために、幾つかの実施の形態は、ＳＣによって生成される可能な所望の軌道の数を制限することができ、したがって、特性Ｐとしての機能を果たすことができるＳＣの第１の動きモデルに対する付加的な制約を追加する。

そのために、幾つかの実施の形態は、車両の所望の軌道に対する第１の制約を選択し、第１のモデルの状態を第２のモデルの状態と結合した制御不変集合を選択する。これらの第１の制約及び制御不変集合は、制御不変部分集合内の状態の組み合わせごとに、第１の制約を満たす第１のモデルの状態のあらゆる変更について、第２のモデルの状態を制御不変集合内に維持する第２のモデルに対する少なくとも１つの制御動作が存在するように求められる。第１の制約及び制御不変集合は、ＳＣが、第１の制約、すなわち特性Ｐを満たす所望の軌道を生成する場合、ＶＣが、車両を制御して、車両の状態を制御不変集合内に維持する、すなわち性能尺度Ｍを満たすことができるという相互依存関係を確立する。

したがって、本発明の１つの実施の形態は、車両を制御する方法を開示している。本方法は、車両の動きの第１のモデルと、車両の動きの第２のモデルとをメモリから選択することであって、第２のモデルの次数は、第１のモデルの次数よりも高く、モデルの次数は、モデルにおける状態変数の数であることと、車両の所望の軌道に沿って車両を移動させるための第１のモデルに対する第１の制約をメモリから選択し、第１のモデルの状態を第２のモデルの状態と結合した制御不変集合を選択することであって、制御不変部分集合内の状態の組み合わせごとに、第１の制約を満たす第１のモデルの状態のあらゆる変更について、第２のモデルの状態を制御不変集合内に維持する第２のモデルに対する少なくとも１つの制御動作が存在することと、第１のモデルを用いて、第１の制約を満たす所望の軌道の部分を求めることと、第２のモデルを用いて、所望の軌道の部分に沿って車両を移動させるコマンドのシーケンスが、所望の軌道の部分によって決定される第２のモデルの状態のシーケンス及び第１のモデルの状態のシーケンスを制御不変部分集合内に維持するようなこのコマンドのシーケンスを求めることと、コマンドのシーケンスからの少なくとも１つのコマンドを用いて車両を制御することとを含む。この方法のステップは、メモリに作動的に接続されたプロセッサを用いて実行される。

別の実施の形態は、車両の動きの第１のモデルと、車両の動きの第２のモデルと、車両の所望の軌道に沿って車両を移動させる第１のモデルに対する第１の制約と、第１のモデルの状態を第２のモデルの状態と結合した制御不変集合とを記憶するメモリであって、第２のモデルの次数は、第１のモデルの次数よりも高く、モデルの次数は、モデルにおける状態変数の数であり、制御不変部分集合内の状態の組み合わせごとに、第１の制約を満たす第１のモデルの状態のあらゆる変更について、第２のモデルの状態を制御不変集合内に維持する第２のモデルに対する少なくとも１つの制御動作が存在する、メモリと、第１のモデルを用いて、第１の制約を満たす所望の軌道の部分を求める監視コントローラーと、第２のモデルを用いて、所望の軌道の部分に沿って車両を移動させるコマンドのシーケンスが、所望の軌道の部分によって決定される第２のモデルの状態のシーケンス及び第１のモデルの状態のシーケンスを制御不変部分集合内に維持するようなこのコマンドのシーケンスを求める車両コントローラーと、コマンドのシーケンスからの少なくとも１つのコマンドを用いて車両を制御するアクチュエーターコントローラーとを備える、車両を制御するコントローラーを開示している。

更に別の実施の形態は、方法を実行するプロセッサによって実行可能なプログラムが具現化された非一時的コンピューター可読メモリであって、方法は、車両の動きの第１のモデルと、車両の動きの第２のモデルとをこのメモリから選択することであって、第２のモデルの次数は、第１のモデルの次数よりも高く、モデルの次数は、モデルにおける状態変数の数であることと、車両の所望の軌道に沿って車両を移動させるための第１のモデルに対する第１の制約をこのメモリから選択し、第１のモデルの状態を第２のモデルの状態と結合した制御不変集合を選択することであって、制御不変部分集合内の状態の組み合わせごとに、第１の制約を満たす第１のモデルの状態のあらゆる変更について、第２のモデルの状態を制御不変集合内に維持する第２のモデルに対する少なくとも１つの制御動作が存在することと、第１のモデルを用いて、第１の制約を満たす所望の軌道の部分を求めることと、第２のモデルを用いて、所望の軌道の部分に沿って車両を移動させるコマンドのシーケンスが、所望の軌道の部分によって決定される第２のモデルの状態のシーケンス及び第１のモデルの状態のシーケンスを制御不変部分集合内に維持するようなこのコマンドのシーケンスを求めることと、コマンドのシーケンスからの少なくとも１つのコマンドを用いて車両を制御することとを含む、非一時的コンピューター可読メモリを開示している。

本発明の幾つかの実施形態の原理を用いるコントローラーを備える車両の概略図である。 本発明の１つの実施形態による図１のコントローラーのブロック図である。 本発明の１つの実施形態によるコントローラーの層の概略図である。 本発明の幾つかの実施形態による車両制御の種々の原理のうちの１つの説明図である。 本発明の幾つかの実施形態による車両制御の種々の原理のうちの別の１つの説明図である。 本発明の１つの実施形態による車両を制御する方法のブロック図である。 本発明の１つの実施形態による協調制御の概略図である。 本発明の１つの実施形態による、所望の軌道と車両の動きの第２のモデルとの間の関係を表す概略図である。 本発明の実施形態による様々な制約によって画定される実現可能領域の２次元投影の一例の図である。 本発明の幾つかの実施形態による車両の動作を制御する方法のブロック図である。 本発明の１つの実施形態による車両を制御するコマンドの選択の方法のブロック図である。 本発明の幾つかの実施形態によって用いられる制御不変集合の決定の背後にある幾つかの原理を示す概略図である。 本発明の種々の実施形態による制御不変集合を選択する方法のブロック図である。 本発明の種々の実施形態による制御不変集合を選択する方法のブロック図である。 図１０の方法に対する図１１の方法の効果を示す概略図である。 本発明の一実施形態による車両制御方法のブロック図である。

図１は、本発明の幾つかの実施形態の原理を用いるコントローラー１０２を備える車両１０１の概略図を示している。本明細書において用いられるような車両１０１は、客車、バス、又はローバー（rover：移動車）等の任意のタイプの装輪車両とすることができる。また、車両１０１は、自律車両又は半自律車両とすることができる。例えば、幾つかの実施形態は、車両１０１の動きを制御する。この動きの例には、車両１０１のステアリングシステム１０３によって制御される車両の横の動きが含まれる。１つの実施形態では、ステアリングシステム１０３は、コントローラー１０２によって制御される。加えて又は代替として、ステアリングシステム１０３は、車両１０１の運転手によって制御することができる。

車両は、コントローラー１０２又は車両１０１の他の構成要素によって制御することができるエンジン１０６も備えることができる。車両は、周囲環境を検知する１つ以上のセンサー１０４も備えることができる。センサー１０４の例には、距離レンジファインダー、レーダー、ライダー、及びカメラが含まれる。車両１０１は、その現在の動きの量及び内部ステータスを検知する１つ以上のセンサー１０５も備えることができる。センサー１０５の例には、全地球測位システム（ＧＰＳ）、加速度計、慣性測定ユニット、ジャイロスコープ、シャフト回転センサー、トルクセンサー、撓みセンサー、圧力センサー、及び流量センサーが含まれる。これらのセンサーは、情報をコントローラー１０２に提供する。車両は、有線通信チャネル又は無線通信チャネルを介したコントローラー１０２の通信能力を有効にする送受信機１０６を装備することができる。

図２は、本発明の１つの実施形態によるコントローラー１０２のブロック図を示している。コントローラー１０２は、メモリ２０２、例えば、非一時的コンピューター可読媒体に接続されたプロセッサ２０１を備える。幾つかの実施態様では、メモリ２０２は、車両についての情報を記憶する第１のセクション２１１と、車両を制御するプログラムを記憶する第２のセクション２１２とを含む。例えば、メモリ２０２の第１のセクション２１１は、車両の動きの第１のモデル及び車両の動きの第２のモデルを記憶することができる。様々な実施形態では、第２のモデルの次数、例えば、モデルにおける状態変数の数は、第１のモデルの次数よりも高い。それらの実施形態は、所望の軌道を生成し、この所望の軌道に従って車両を制御する種々の動きモデルを用いる必要があるという認識に基づいている。例えば、所望の軌道を生成するには、長い将来のホライズンを考慮する必要がある。長期間の将来のホライズンにわたって車両の動きを計算する複雑な物理モデルを有することは、計算的に困難である。逆に、所望の軌道が知られているとき、この所望の軌道に従った車両の制御は、次の制御ステップ又は短い将来のホライズンのみを検討することができる。加えて、車両の制御は、軌道生成プロセスよりも正確である必要がある。そのために、幾つかの実施形態では、コントローラー１０２は、第１の動きモデル、すなわち、簡略化した動きモデルを用いて軌道を生成するとともに、第２の動きモデル、すなわち、より複雑な動きモデルを用いて軌道に従って車両を制御する。

メモリ２０２の第２のセクション２１２は、車両１０１を制御する方法を実行するプロセッサ２０１によって実行可能なプログラムを具現化しておくことができる。プロセッサ２０１は、計算を実行することが可能な任意の計算デバイスとすることができ、同じ又は異なるタイプの１つ又は多くの物理デバイスを含むことができる。加えて又は代替として、プロセッサ２０１は、複数の計算デバイス、例えば、マイクロプロセッサを含むことができる。同様に、メモリ２０２は、情報を記憶することが可能な任意の論理メモリ及び／又は非一時的コンピューター可読記憶媒体とすることができ、同じ又は異なるタイプの１つ以上の物理情報記憶手段を含むことができる。プロセッサ２０１によって実行される計算は、メモリの第２のセクション２１２に記憶されたプログラムによってコマンドされ、メモリの第１のセクション２１１に記憶された車両情報、センサー１０５から取得された車両１０１についての情報、センサー１０４から取得された環境２０３の情報を用いる。プロセッサ２０１の計算の結果、車両の動きを変更するコマンド２０４が得られる。

プロセッサ２０１によって実行されるプログラムによって、車両１０１の幾つかの特定の機能が可能になる。例えば、プロセッサ２１０の動作は、車線維持又は衝突回避等の特定の先進運転支援（ＡＤＡ）機構を可能にすることもできるし、車両１０１の自律運転（ＡＤ）を可能にすることもできる。これらの動作のいずれの間においても、プロセッサ２０１によって実行されるプログラムは、車線内に留まること、障害物を回避すること、特定のロケーションに到達すること等の運転の特定の目的を達成することを目的とする。これらの目的は、車両１０１の動きに適切に影響を与えることによって達成される。プロセッサ２０１によって実行されるソフトウェアプログラムは、複数のモジュールに論理的に分離することができる。例えば、１つの実施形態では、プロセッサによって実行されるプログラムは、或る層の出力が次の層への入力となるように、層として連続して配列された少なくとも２つのモジュールを含む。本明細書において用いられるそのような層形成によって、コントローラー１０２の層又は論理コントローラーが特定され、異なる情報を必要とする種々のステージに制御を分離することが可能になる。

図３は、本発明の１つの実施形態によるコントローラー１０２の層の概略図を示している。この実施形態では、コントローラー１０２は、３つの制御層を備える。車両の動きの目的は、車両がこの動きの目的に従って追従する必要がある経路又は所望の軌道３１１として表される。所望の軌道は、監視コントローラー（ＳＣ）３０１によって生成される。所望の軌道を生成するためにＳＣによって用いられる方法の例には、様々な意思決定技法及び経路計画技法が含まれる。ＳＣによって生成された所望の軌道は、軌道３１１に追従するように車両の動きに影響を与えるステアリングシステム１０３又はエンジン等の作動システムのコマンド３１２を計算することを目的とする車両コントローラー（ＶＣ）３０２に提供される。ＶＣコマンド３１２は、例えば、電力ステアリングモジュール内のアクチュエーターコントローラー（ＡＣ）３０３によって受信され、適切な電気機械デバイスによって作動され、その結果、車両を軌道に追従させるように車両の動きを変更する動作３１３をもたらす。

ＡＤＡ及びＡＤを提供するプログラムを複数の論理コントローラー又は層に分割することは、制御の計算要件及び情報要件の理由から有利であり得る。各層は、種々の情報に種々のレートでアクセスする必要があり、種々の複雑度の結果を種々のレートで生成するように要求される。しかしながら、複数の層を有することによって、全体の目的の達成が複雑になる。なぜならば、種々の論理コントローラーを適切に連係させる必要があるからである。例えば、各上位層は、その計算結果を生成する際に下位層の挙動を考慮する必要がある。

幾つかの実施形態は、軌道に追随する車両の動きが、動きの現在の目的に応じた性能尺度（Ｍ）を満たす必要があるという認識に基づいている。例えば、車両は、所望の軌道に正確に追従する必要はないが、車両の実際の軌道と所望の軌道との間の最大差は、閾値、例えば５０ｃｍ未満である必要がある。幾つかの実施形態は、そのような性能尺度、すなわち、この例では５０ｃｍの最大差は、車両を制御する際の実際の実用性から得ることができるが、動きの目的のための所望の軌道を生成している間に考慮することもできるという認識に基づいている。例えば、動きの目的が車線維持である場合、全ての可能な所望の軌道は、閾値、例えば上記５０ｃｍ以上の車線の境界からの安全マージンを有する必要がある。同様に、動きの目的が衝突回避である場合、全ての可能な所望の軌道は、閾値、例えば上記５０ｃｍ以上の障害物からの安全距離マージンを維持する必要がある。

したがって、所望の軌道に沿って車両を制御している間に達成する必要がある性能尺度Ｍは、生成することが可能である所望の軌道のタイプと関係がある。そのために、所望の軌道の生成及び所望の軌道に従った車両制御は、順次的であるだけでなく、相互に依存したプロセスでもある。例えば、所望の軌道がＳＣ３０１によって生成され、所望の軌道に沿った車両の動きがＶＣ３０２によって制御される場合、ＳＣとＶＣとの間の協調は、ＳＣが特性Ｐ３２２を満たす所望の軌道を生成する場合に、ＶＣが性能尺度Ｍ３２１を満たす車両を制御することができるという相互依存関係を含むことができる。換言すれば、Ｍ３２１を保証することが可能であるためには、ＳＣは、特定のクラスＰ３２２に属するように軌道を制限する。

そのために、本発明の１つの実施形態は、性能尺度Ｍ３２１を所与として、ＳＣ３０１が生成することができる軌道Ｐ３２２のクラスを求め、Ｐにおける任意の軌道のＭを保証するＶＣ３０２を構築し、Ｐにおける軌道のみを生成するようにＳＣを制限し、Ｍが車両の動作全体にわたって満たされることを確保するようにＶＣを動作させる。本発明の別の実施形態では、ＶＣとＡＣとの間の連係も可能にされる。

図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の幾つかの実施形態による車両制御の原理の説明図を示している。それらの例は、ステアリングによって衝突回避を動作させるＡＤＡ機能に関係している。図４Ａに示すように、境界４０１及び車線分離４０５を有する道路において、現在の走行車線４０３内の障害物４０２によって、車両は他の車線４０４に移動する必要がある。性能尺度Ｍは、ＳＣによって生成される軌道４１２と、ＶＣのコマンドを適用することによって取得される車両の動き４１３との間の最大差に関する所与の限度４１１である。ＶＣがＭを保証する場合、ＳＣは、実際の車両の動きがＳＣ軌道の周囲の幅４１４のエリア内にあることを知る。したがって、障害物からＭの最小分離４１４を確保することによって、ＳＣは、衝突がないことの保証を達成する。これとは対照的に、図４Ｂに示すように、ＶＣが車両を制御していること及び実際の車両の動きがＳＣ軌道と異なることをＳＣが考慮しない場合、ＳＣは、衝突しない軌道４２２を生成し得るが、実際の車両の動き４２３は、ＳＣにおいて検討された理想的な動きと実際の車両の動きとの間の相違に起因して結局衝突することになる。

幾つかの実施形態は、そのような相互依存関係が、所望の軌道の生成及び所望の軌道に従った車両の制御に異なる動きモデルを用いる必要があることによって複雑化されるという認識に基づいている。例えば、所望の軌道を生成するには、長い将来のホライズンを検討する必要がある。長期間の将来のホライズンにわたって車両の動きを計算する複雑な物理モデルを有することは、計算的に困難である。逆に、所望の軌道が知られているとき、この所望の軌道に従った車両の制御は、次の制御ステップ又は短い将来のホライズンのみを検討することができる。加えて、車両の制御は、軌道生成プロセスよりも正確である必要がある。

そのために、幾つかの実施形態は、所望の軌道の生成及び所望の軌道に従った車両の制御に異なる動きモデルを用いる。例えば、生成のためにＳＣによって用いられる第１の動きモデルは、車両を制御するためにＶＣによって用いられる第２の動きモデルよりも単純であり、すなわち、ＶＣによって用いられる第２のモデルの次数は、ＳＣによって用いられる第１のモデルの次数よりも高い。本明細書において用いられるようなモデルの次数は、モデルにおける状態変数の数である。異なるモデルを用いることによって、車両制御の計算要件は単純化されるが、ＳＣとＶＣとの間の相互依存関係の確立は複雑化される。

幾つかの実施形態は、モデルに課される異なる制約を通じてＳＣ及びＶＣの異なるモデル間の相互依存関係を確立することができるという認識に基づいている。例えば、性能尺度Ｍを満たすための要件は、車両の状態に対する制約及び／又はＶＣによって用いられる車両の第２のモデルに対する制約に変換することができる。具体的には、そのような制約は、車両の現在の状態が性能尺度Ｍを満たすことと、車両の現在の状態を変化させるそのような制御動作が、性能尺度Ｍに違反することなく存在することとを指定することができる。そのようにして、制約は、車両の動きが性能メトリックＭを常に満たすことを保証する。幾つかの実施形態は、第１のモデルと第２のモデルとの間の差に起因して、車両の状態に対するそのような制約を常に求めることが可能であるとは限らないという認識に基づいている。したがって、幾つかの実施形態は、ＳＣによって生成される可能な所望の軌道の数を制限することができ、ひいては、特性Ｐとしての機能を果たすことができるＳＣの第１の動きモデルに対する付加的な制約を追加する。

例えば、幾つかの実施形態は、車両の所望の軌道上を移動する第１のモデルに対する第１の制約を選択し、第１のモデルの状態を第２のモデルの状態と結合した制御不変集合を選択する。これらの第１の制約及び制御不変集合は、制御不変部分集合内の状態の組み合わせごとに、第１の制約を満たす第１のモデルの状態のあらゆる変更について、第２のモデルの状態を制御不変集合内に維持する第２のモデルに対する少なくとも１つの制御動作が存在するように求められる。第１の制約及び制御不変集合は、ＳＣが、所望の軌道上を移動する第１のモデルが第１の制約、すなわち特性Ｐを満たすような所望の軌道を生成する場合、ＶＣが、車両の状態を制御不変集合内に維持する、すなわち、性能尺度Ｍを満たす車両を制御することができるという相互依存関係を確立する。

図５Ａは、本発明の１つの実施形態による車両１０１を制御する方法のブロック図を示している。本方法は、プロセッサ２０１等のプロセッサによって実行することができる。加えて又は代替として、本方法は、プロセッサによって実行可能なプログラムが本方法を実行するように、具現化されたプログラムとして非一時的コンピューター可読記憶媒体上に記憶することができる。

本方法は、車両の動きの第１のモデル５１５及び車両の動きの第２のモデル５１７を、メモリ、例えばメモリ２０２から選択する（５１０）。通常、第１のモデルは第２のモデルよりも単純である。例えば、第２のモデル５１７の次数は、第１のモデル５１５の次数よりも高い。本明細書において用いられるようなモデルの次数は、モデルにおける状態変数の数である。第１のモデルは、所望の軌道に沿って移動する車両、例えば、所望の軌道上を正確に移動する車両の動きを表すのに用いられる一方、車両の動きの第２のモデルは、ＶＣの動作を受けた車両の動きを表すのに用いられる。本方法は、所望の軌道上を移動する車両の動きの第１のモデルに対する第１の制約５２５、及び、第１のモデルの状態を第２のモデルの状態と結合した制御不変集合５２７もメモリから選択する（５２０）。制御不変集合５２７は、この制御不変集合内の状態の組み合わせごとに、第１の制約５２５を満たす第１のモデルの状態のあらゆる変更について、第２のモデルの状態を制御不変集合内に維持する第２のモデルへの少なくとも１つの制御動作が存在するように求められる。

例えば、第１のモデルの状態は、任意の時点における車両の位置と、所望の軌道に沿って正確に移動している間の車両のヨーレートとを含むことができる。第１のモデルの状態変数の値は、第１の制約によって与えられる限度内で変化することができる。第１の制約は、第１のモデルの状態変数のうちの１つを制限する場合もあるし、制限しない場合もある。例えば、１つの実施形態では、第１の制約は、第１のモデルの状態間の遷移を決定する。第１の制約の例には、所望の軌道に沿った動きの曲率の変化に対する制約と、所望の軌道に沿って第１のモデルを遷移させるヨーレートの変化に対する制約とが含まれる。第２のモデルの状態変数は、所望の軌道からの横変位、横速度、軌道に対する姿勢（orientation：方位）誤差、及びＶＣの動作に従って移動している間のヨーレートを含む。第１のモデル及び第２のモデルの状態変数は、同じとすることができるし、異なることもできる。状態変数は、車両の性能メトリックに従って選択することができる。例えば、車両の性能は、車両の減少する横加速度、車両の減少するヨーレート、所望の軌道からの減少する横変位、及び減少するハンドル作動力のうちの１つ又は組み合わせとすることができる。

制御不変集合の状態変数は、第１のモデル及び第２のモデルの状態を含む。制御不変集合の状態は、関係、例えば、軌道に沿った第１のモデルの動きと、ＶＣによって制御されるとおりに移動する第２のモデルによって決定される車両の状態との間の誤差に対する限度を含むので、制御不変集合は、この関係に従って、第１のモデルの状態を第２のモデルの状態と結合する。制御不変集合の値は、例えば、動きの目的及び性能メトリックＭに基づいて事前に求めることができる。制御不変集合は、その構築によって、車両の第２のモデル及び車両の動きの第１のモデルの対応する状態が制御不変集合内にある限りは、性能メトリックＭが満たされることを保証する。

幾つかの実施形態は、簡略化した第１の動きモデルによって生成される全ての可能な軌道についてそのような制御不変集合を設計することが常に可能であるとは限らない場合があることを認識している。そのために、第１の制約は、そのような所望の軌道に沿って移動する車両の動きの第１のモデルによる所望の軌道の変動を制限して、そのような制御不変集合の生成を可能にする。例えば、１つの実施形態は、非空の制御不変集合を可能にする第１の制約の最大の値を選択する。加えて又は代替として、１つの実施形態は、第１の制約の値を削減する一方、制御不変集合のサイズを増加させる。そのために、第１の制約は、ＶＣによって許容される動作の数を決定する、所望の軌道の可能な変動の数と制御不変集合のサイズとの間のバランスファクターとみなすことができる。

次に、本方法は、第１のモデル５１５を用いて、第１の制約５２５を満たす所望の軌道５３５の部分を求め（５３０）、第２のモデル５１７を用いて、所望の軌道５３５のこの部分に沿って車両を移動させるコマンド５４５のシーケンスを求める（５４０）。このコマンドのシーケンスは、所望の軌道の上記部分によって決定される第２のモデル５１７の状態のシーケンス及び第１のモデル５１５の状態のシーケンスを制御不変部分集合５２７内に維持するようになっている。本方法は、コマンドのシーケンスからの少なくとも１つのコマンド５４５を用いて車両１０１を制御する（５５０）。

例えば、特性Ｐを満たす所望の軌道について、軌道条件及び現在の車両条件の許容された組み合わせを求めることができ、この組み合わせによって、車両の将来の条件及び現在の軌道が満たす必要がある条件Ｒの領域、すなわち制御不変集合５２７が得られる。車両の将来の条件は、現在の車両条件及び車両に適用される車両コマンドに依存するので、条件Ｒは、車両の有効なコマンドも求める。

図５Ｂは、本発明の１つの実施形態による協調制御の概略図を示している。ＳＣ３０１において、例えば、現在の車両情報５１５に基づいて経路プランナーモジュールＴ５０２によって提供される最初に生成された所望の軌道が、特性Ｐを満たす軌道のクラスに属するように変更され（５０１）、この変更された軌道５１１は、ＶＣ３０２に提供される。ＶＣにおいて、コントローラーＣ５０３は、車両情報５１５と、変更された軌道５１１と、軌道条件及び現在の車両条件の許容された組み合わせの領域Ｒ５０４とを用いて、車両コマンド５１２を求める。車両コマンド５１２はＡＣ３０３に提供される。現在の車両情報５１５及び車両コマンド５１２を用いるＡＣは、性能尺度Ｍ５０５が、変更された軌道５１２の車両の動き５１４によって常に真５１６を返すように、すなわち、満たされるように、車両の動き５１４を変更する車両１０１の物理動作５１３を生成する。

例示的な第１の動きモデル
幾つかの実施形態では、ＳＣは、幾つかの特定の時刻における車両の所望の位置を記述した時間付き軌道を生成する。例えば、時間付き軌道は、特定の時刻における車両の位置ベクトル（ｐ_ｘ，ｐ_ｙ）のシーケンスの情報を含むことができる。しかしながら、そのような軌道に関する情報は、そのような軌道に追従する車両の動きに関する追加の情報を用いて拡張する必要がある。したがって、ＳＣは、所望の軌道上の車両の動きに関する追加の情報を、この軌道上を正確に移動する車両の動きの第１のモデルに基づいて生成する。例えば、ＳＣ軌道に従って、車両の動きの第１のモデルは、車両の所望の位置（ｐ_ｘ，ｐ_ｙ）だけでなく、以下の式によって関係付けられるような時刻ｔにおける姿勢θ及びヨーレートω、並びに縦速度ｖも求める。

ここで、ｒは回転半径であり、κは経路の曲率である。したがって、現在の位置及び姿勢、並びに縦速度を所与として、ヨーレートは、将来の位置を決定する。ヨーレートは、以下の式によって定義することができる。

ここで、ｘ_ｒ及びｕ_ｒは、軌道を生成するシステムの内部状態変数及び入力である。内部状態は、ＳＣ軌道上を正確に移動する第１のモデルの現在の条件を決定する。入力は、ＳＣ軌道上の正確な移動を継続するために第１のモデル条件の強制的な変更を決定する。

式（２）を満たす動きモデルの例には、ＳＣ軌道上を正確に移動する粒子として表された理想的な車両の動きに対応する

又は、より一層単純な形態

が含まれる。

一般に、（３）、（４）における微分方程式は、差分方程式に変換することができる。これらの差分方程式では、解は、ｋによってインデックス付けされるとともに等しい長さＴ_ｓの時間間隔によって分離される離散時刻において定義される。なぜならば、この形態は、マイクロプロセッサにおいて求めることにより適しているからである。その結果、以下の式がそれぞれ得られる。

及び

車両が実行することができる動きは、機械的な配慮事項及び安全性の配慮事項によって制限されるので、ＳＣによって生成される軌道も制限することができる。特に、ＳＣ軌道の制限は、第１のモデル、例えば、（５）、（６）が以下の制約を満たすことを確保することによって定義することができる。

ここで、

及び

は、ＳＣ軌道上を移動する第１のモデルの状態及び入力の許容値を決定する適切な集合である。上記ＳＣ軌道の制限は、例えば、以下の式のように、ヨーレート及びヨー加速度に対する限界をモデル化することができる。

例示的な第２の動きモデル
図６は、本発明の１つの実施形態による、所望の軌道と車両の動きの第２のモデルとの間の関係を表す概略図を示している。所望の軌道は、車両の動きの第１のモデルに従って経路６０１に沿って所与の速度で移動する、軌道に沿ったｘ軸及び軌道に直交するｙ軸を有する基準系６０２によって表すことができる。この場合、ＶＣによって制御される車両の動きの第２のモデルは、車両長に沿ったｘ軸及び車両幅に沿ったｙ軸を有する、車両の質量中心に取り付けられた系６０３と系６０２との間の差として表すことができる。特に、車両及び基準系６０２が同じ速度で移動する場合、系６０２と系６０３との間の差は、６０２のｙ軸に沿った成分の差６０４及び系６０３、６０２の姿勢角の間の差になる。確かに、差６０４が０であるときは常に、車両は所望の軌道に沿って移動する。

したがって、所望の軌道からの差として表される車両の動きは、以下の式として記述される。

ここで、ｅ_１、ｅ_２は、６０３、６０２の間の横距離６０４及び姿勢の誤差であり、δはステアリング角であり、ｍ、Ｉ_ｚは、車両の質量及び垂直軸に沿った慣性であり、Ｃ_ｆ、Ｃ_ｒは、前輪及び後輪の剛性であり、

及び

は、質量中心からの前車軸及び後車軸の距離である。車両の状態変化は、軌道ヨーレートに依存することに留意されたい。なぜならば、軌道ヨーレートは、基準系６０２を移動させるからであり、これによって、基準系６０２と車両系６０３との間の差が変化するからである。

車両は、車両の動きの変数に対する制約としてモデル化することができる機械的な制限及び安全上の制限も受ける。車両の動きは、ｋによってインデックス付けされるとともに等しい長さＴ_ｓの時間間隔によって分離される離散時刻において表すことができ、以下の車両モデルを取得するために、ステアリングインクリメントΔｕを定義することができる。

ここで、

であり、ｘは、現在の車両条件である車両の状態であり、Δｕは、ＶＣによって選ばれた車両へのコマンド入力である。

車両に対する制約は、以下の式としてモデル化される。

ここで、

は、車両の状態及び入力の許容値を決定する適切な集合であり、上記車両に対する制約は、例えば、以下の式のように、最大ステアリングに対する制約、車両と軌道との間のヨーレート誤差、及び車両と軌道との間の誤差をモデル化する。

軌道特性及び性能尺度
ＳＣ軌道及び車両のモデルに基づくと、とりわけ、車両位置とＳＣ軌道位置との間の最大横誤差を含む車両に対する制約（１２）によって性能尺度Ｍを定義することができる。ＳＣによって生成される軌道が満たさなければならない特性Ｐは、例えば（５）又は（６）として表される一般的な更新式（２）と、制約（７）とによって定義される。幾つかの実施形態では、特性Ｐの制約は、制御不変集合５２７を定義する。

例えば、１つの実施形態は、ＳＣ軌道状態ｘ_ｒ及び車両状態ｘの結合空間の領域Ｒとして制御不変集合を求める。ここで、

である。この領域Ｒは、Ｒ内のＳＣ軌道状態及び車両状態の全ての組み合わせ（ｘ，ｘ_ｒ）∈Ｒについて、ＳＣ軌道状態に対する制約及び車両状態に対する制約が満たされるようになっており、Ｒ内のＳＣ軌道状態及び車両状態の任意の組み合わせ（ｘ，ｘ_ｒ）∈Ｒについて、次のＳＣ軌道状態が

内にあるような全てのＳＣ軌道入力

について、次の車両状態が

内にあるような入力

が存在するようになっている。本発明は、領域Ｒが非空となるように、

の選択も決定する。領域Ｒに基づいて、本発明は、特性Ｐを満たすあらゆる軌道について、性能尺度Ｍが常に達成されるようなステアリングの値δを求めるＶＣの設計を求める。

制御不変集合
幾つかの実施形態では、制御不変集合Ｒは、所望の軌道に沿って移動する車両の動きの第１のモデル（５）と、ＶＣの制御を受けて移動する車両の動きの第２のモデル（１０）とに関して求められる。この制御不変集合は、式（１２）を満たすＶＣの制御を受けて移動する車両の第２のモデルの状態と、式（７）を満たす所望の軌道に沿って移動する車両の第１のモデルの状態とによって画定される実現可能領域の部分集合である。ここで、

は制御入力とみなされ、

は外乱とみなされる。

図７は、本発明の実施形態による、様々な制約によって画定される実現可能領域７１０の２次元投影の一例を示している。（７）、（１２）において多面体集合を定義する線形制約を受ける一次方程式（５）、（１０）の場合、実現可能領域は、車両の状態、及び一次不等式によって表される超平面によって決定される所望の軌道の状態の空間における多次元ポリトープである。

システムはダイナミクスを有するので、或る特定の時刻において実現可能領域内にある車両の動きの第１のモデル及び車両の動きの第２のモデルの状態は、それだけでは、

の任意の選択肢について、それらの状態を次の時刻において実現可能領域内に維持することができることを保証しない。例えば、車両の動きの第２のモデル及び車両の動きの第１のモデルの状態７２０は、或る反復については実現可能とすることができるが、次の反復中の車両の動きの第２のモデルに対する全ての制御動作７２１〜７２４が、車両の動きの第２のモデルの状態を実現可能領域５１０の外部に至らせる可能性がある。

本発明の幾つかの実施形態は、実現可能領域の部分集合７１５内の車両の任意の状態から、車両の動きの第１のモデルの全ての許容可能な将来の状態について、車両の動きの第２のモデルの状態をその部分集合内に維持する制御動作が存在するようなその部分集合を選択することが可能であるという更に別の認識に基づいている。例えば、部分集合７１５内及びコントローラーが実行することができる全ての可能な制御動作７３１〜７３４内の状態７３０等の任意の状態について、車両の動きの第２のモデルの状態及び軌道を部分集合７１５内に維持する少なくとも１つの制御動作７３４が存在する。

したがって、動作を制御する制御動作が、車両の動きの第２のモデル及び車両の動きの第１のモデルの状態が、実現可能領域のその特殊な部分集合７１５内に留まるように選択され、実現可能領域が式（５）、（７）にも従って生成される場合、車両が、性能メトリックによって規定される有限誤差を有する所望の軌道に追随し、車両のあらゆる将来の状態が少なくとも１つの実現可能制御動作を常に許容することが保証される。この場合、部分集合７１５は、本発明の幾つかの実施形態によって用いられる制御不変集合である。例えば、制御動作の選択は、実現可能領域７１０自体の中での最適化とは対照的に、車両の動きを表すコスト関数を、実現可能領域のその特殊な部分集合７１５によって定義される制約を条件として最適化することによって行うことができる。本明細書において言及するように、部分集合７１５は、第１のモデルの状態を第２のモデルの状態と結合した制御不変集合である。

図８Ａは、本発明の幾つかの実施形態による車両の動作を制御する方法８０１のブロック図を示している。本方法は、コントローラー１０２のプロセッサ２０１によって実行することができる。本方法は、車両の状態及び制約８０４によって画定される所望の軌道の状態の実現可能領域７１０を求める（８１０）。１つの実施態様では、制約８０４は、式（７）、（１２）に規定される車両の動きの第２のモデルに対する制約及び車両の動きの第１のモデルに対する制約を含む。次に、本方法は、部分集合内の車両の動きの第２のモデルの任意の状態から、車両の動きの第１のモデルの任意の次の状態について、車両の動きの第２のモデルの状態を部分集合内に維持する制御が存在するように、実現可能領域の部分集合としての制御不変集合８１５として領域Ｒを選択し（８２０）、車両の状態が部分集合内に留まるように動作を制御する制御動作８４０を選択する（８３０）。１つの実施形態では、この選択は、車両の動作を表すコスト関数８３５を、部分集合領域７１５によって規定される制約を条件として最適化することを含む。コスト関数は、固定時間ホライズンの間、反復して最適化され、現在の反復のコマンド８４０が生成される。

例えば、ステップ８３０の最適化は、車両の動きの第２のモデルの将来の状態と、制御不変集合に属する第１のモデルの状態のシーケンスからの第１の要素との組み合わせを含む制約を条件として車両の性能を最適化する最適化問題として定式化することができる。車両の性能の例には、車両の減少する横加速度、車両の減少するヨーレート、所望の軌道からの減少する横変位、及び減少するハンドル作動力が含まれる。この最適化問題を解くことによって、車両を有利に移動させるコマンド又はコマンドのシーケンスを生成することができる。

幾つかの実施形態では、図８Ａの方法の全てのステップは、車両の動作中に実行される。代替の実施形態では、ステップ８１０、８２０は、車両の動作前に実行され、コスト関数８３５又は制御動作の選択の他の原理も、車両の動作前に規定される。そのような動作は、マイクロプロセッサにおいて実行することもできるし、デスクトップコンピューター、ラップトップ、又はエンジニアリングワークステーション等の汎用コンピューティングマシンにおいて実行することもできる。ステップ８２０及びコスト関数８３５の結果は、マイクロプロセッサ２０１のメモリ２０２にプログラミングされ、ステップ８３０は、車両の動作中に繰り返し実行される唯一のステップである。

図８Ｂは、本発明の１つの実施形態によるコマンド８４０の選択８３０の方法８９９のブロック図を示している。そのような方法は、車両の動作中に実行することができる。本方法８９９は、実現可能領域８１０によって規定される車両の動きに対する物理制約を満たす実現可能コマンド８５５を選択する（８５０）。本方法は、コマンドによる現在の状態から将来の状態８６５への車両の動きの第２のモデルの遷移を推定し（８６０）、車両の動きの第２のモデルの将来の状態及び第１のモデルの状態のシーケンスからの第１の要素の組み合わせが、制御不変集合８１５に属する場合、車両を制御するコマンド８４０として実現可能コマンド８５５を選択する（８７０）。そうでない場合、本方法は、異なる実現可能コマンドを選択し（８８０）、推定するステップ及び選択するステップを繰り返す。

例えば、実現可能コマンド８５５は、図７のコマンド７３２である。そのコマンドは、車両の動きの第２のモデルの状態を制御不変集合７３２の外部に移動させる。そのために、本方法８９９は、異なるコマンドを選択する（８８０）。例えば、この異なる実現可能コマンドは、この異なる実現可能コマンドによって決定される将来の状態と制御不変集合の境界との間の距離を削減するように選択することができる。例えば、次の異なるコマンドは、コマンド７３３とすることができる。そのようなコマンドも、車両の状態を制御不変集合７１５の外部に遷移させ、そのため、本方法８９９は、そのような新たなコマンドが車両の動きの第２のモデルの状態を制御不変集合内に維持するまで、別の異なるコマンドを選択する。そのようなコマンドの例はコマンド７３４である。

制御不変集合の決定
図９は、本発明の幾つかの実施形態によって用いられる部分集合７１５の決定の背後にある原理を示している。例えば、１つの実施形態は、ＳＣ軌道の外乱

の式（７）、（１２）によって与えられる制約を条件として、式（５）、（１０）に従って、車両の動きの第２のモデル及び車両の動きの第１のモデルの状態の集合の部分集合７１５として制御不変集合Ｒを求める。車両の動きの第２のモデルの状態及び車両の動きの第１のモデルの状態の実現可能集合７１０は以下の式となる。

この例では、車両の状態９０２及び所望の軌道の状態９０３は、実現可能領域７１０内の（ｘ，ｒ）における点９０１を規定する。車両の動きの第１のモデルの状態への入力の許容集合９０４

が与えられると、車両の動きの第２のモデルの将来の状態及び車両の動きの第１のモデルの将来の状態は、セグメント９０５、９０６によって区切られる多面体９０７におけるいずれかの箇所とすることができる。したがって、コントローラーは、車両の動きの第２のモデルの将来の状態９０２がセグメント９１０内に留まるような任意の制御動作を取ることができ、その結果、車両の動きの第２のモデルの将来の状態及び車両の動きの第１のモデルの将来の状態の組み合わせは、多面体９０７内に留まる。

集合Ｃ_ｘ，ｒ９０７が、車両の動きの第１のモデルの次の状態９０４の許容可能範囲全体について、車両の動きの第２のモデルの状態及び車両の動きの第１のモデルの状態９０１を集合９０７内に維持する制御動作が常に存在するようなものである場合、すなわち、

である場合、車両及び性能に対する制約、例えば、追随誤差限度が満たされることを保証する

を保証することが可能である。特に、この手順は、次のステップにおいて繰り返すことができる。なぜならば、更新状態は引き続きＲ内にあり、したがって、制約実施を再帰的に保証するからである。

図１０は、終了条件が満たされるまでバックワード可到達集合計算を反復して実行することによって、１つの実施形態に従って領域Ｒを選択する方法のブロック図を示している。バックワード可到達集合計算は、車両の動きの第１のモデルの全ての次の状態について、車両の動きの第２のモデルの状態を実現可能領域内に維持する制御が存在しない全ての状態を現在の実現可能領域から除去する。

例えば、バックワード可到達集合計算は、ステップｋ＝０において、現在の実現可能集合１００１を実現可能領域５１０

として初期化し（１００１）、次に、以下の式に従って、許容可能参照入力の全ての値について現在の実現可能集合に遷移することができる車両の動きの第２のモデル及び車両の動きの第１のモデルの状態のバックワード可到達集合を求める（１００２）。

ここで、

である。

式（１９）の計算は、ＳＣ軌道入力の全ての許容可能値について、車両の動きの第２のモデル及び車両の動きの第１のモデルを現在の実現可能集合内に維持する制御動作が存在しないバックワード可到達集合の状態を除去する。

ステップ１００３において、この計算は、バックワード可到達集合が現在の実現可能集合に等しい、すなわち、Ω_ｋ＋１＝Ω_ｋであるか否かを検査する。等しい場合（１００４）、このバックワード可到達集合は制御不変集合７１５であり、計算は停止し、Ｒ＝Ω_ｋとなる。幾つかの実施形態では、検査１００３は、バックワード可到達集合と実現可能集合との間の差が閾値未満であるとき、バックワード可到達集合が現在の実現可能集合に等しいことを指定する終了条件として働く。

等しくない場合（１００５）、バックワード可到達集合は、計算の次の反復（ｋ＝ｋ＋１）において現在の実現可能集合として用いられる。図１０のバックワード可到達集合計算は、存在する最大のロバスト制御不変集合を返す。しかしながら、許容された軌道入力の集合は所望の軌道の状態に依存するので、幾つかの状況では、制御不変集合は、単一の凸多面体ではなく、一群の凸多面体であり、これによって、そのような部分集合をリアルタイム制御において用いることが困難になる。また、図１０のバックワード可到達集合計算は、計算的に広範であり、大量の時間、例えば、数日、更には数カ月を要する可能性がある。

図１１は、図１０の最大の制御不変集合よりも僅かに小さいが、単一の凸多面体である制御不変集合Ｒを求める代替の方法のブロック図を示している。また、図１１の方法は、はるかに高速であり、例えば、数分及び／又は数時間以内に制御不変集合を求めることができる。

本方法は、まず、第１の制約を含む第１のモデルに対する制約に従って、将来において実現可能な第１のモデルの状態の許容可能集合を求める（１１００）。例えば、この許容可能集合

は、式（５）とともに、それ自体、式（５）、（７）について不変である（７）を満たす式と、軌道状態をそのような集合内に維持する第１のモデル状態依存入力の対応する集合

とから取得することができる。

次に、本方法は、例えば、

に従って、第１のモデルの実現可能状態及び第２のモデルの実現可能状態の第１の集合を計算することと、例えば、

に従って、第１の集合と許容可能集合との交差集合によって形成される第２の集合を計算することとによって初期化される（１１０１）。

次に、本方法は、第１の制約のみを考慮しながら、すなわち、他の制約を無視して、第１の集合のバックワード可到達計算を反復し（１１０８）、現在の反復において、第３の集合

が計算される（１１０２）。

次に、本方法は、第１の集合を、第１の集合と第３の集合との交差集合

に更新し（１１０３）、第２の集合を、更新された第１の集合と許容可能集合との交差集合

に更新する（１１０４）。

例えば、現在の第２の集合と車両独立許容可能軌道集合との交差集合が、ｘに関連した次元の全体空間及びｘ_ｒに関連した次元の軌道状態の最大集合として形成される。

本方法は、更新された第２の集合と以前の反復中に更新された第２の集合との間の差が閾値よりも小さい場合（１１０６）、例えば、

である場合、制御不変集合Ｒ＝Ω_ｋを更新された第２の集合として決定する（１１０５）。

そうでない場合、反復は継続する。最後に、Ｒは、車両の動きの第２のモデルの状態ｘ及び車両の動きの第１のモデルの状態ｘ_ｒの空間において、以下の式のように、単一の凸多面体として表される。

図１２は、図１０の方法に対する図１１の方法の効果を示している。車両の動きの第１のモデルの状態ｘ_ｒに対する軌道入力ｕ_ｒの依存が、上記計算の幾つかの特定の部分において無視されるので、図１１の方法によって取得された集合１２０１は、図１０の方法によって取得された集合１２０２よりも小さいが、部分集合１２０１は、単一の凸多面体である一方、部分集合１２０２は、より大きな凸多面体１２０３及び境界における複数のより小さい凸多面体１２０４を含む。これらの和集合は凸ではない。

所望の軌道の特性の決定
図１０又は図１１において説明した方法を用いて計算された制御不変集合Ｒが空である場合、特性Ｐを満たす全ての軌道について性能尺度Ｍを達成することは可能でない。ここで、Ｍは制約（１２）によって表され、Ｐは式（５）及び制約（７）によって表される。そのために、幾つかの実施形態は、特性Ｐ及び性能尺度Ｍのうちの一方又は組み合わせを更新する。例えば、１つの実施形態は、非空の制御不変集合を可能にする第１の制約の最大の値を求める。別の実施形態は、第１の制約の値を、制御不変集合のサイズとバランスさせ、例えば、第１の制約の値を削減する一方、制御不変集合のサイズを増加させる。

幾つかの実施形態は、制御不変集合Ｒを用いて、特性Ｐ及び／又は性能尺度Ｍを求めることができるという認識に基づいている。例えば、制約（７）を

にパラメーター化することが可能である。ここで、σ_１及びσ_２は、２つの非負のスケーリング係数である。次に、非空の領域Ｒを提供するσ_１及びσ_２の値を探索し、以下の式のように、σ_１及びσ_２に応じてコスト関数を最適化することができる。

コスト関数の一例は、（７）を満たすＳＣ軌道状態及び入力のボリュームを近似するスケーリング成分の加重値

とすることができる。

特に、式（５）が式（６）によって指定され、（７）における制約が（８）によって指定される場合、１つの実施形態は、車両が（１０）、（１２）に従って達成することができる許容最大ヨーレートに基づいてヨーレート制約（８ａ）を修正することができ、

を解くことによって軌道（８ｂ）によって課される最大ヨー加速度を求めることができる。この式は、（１０）としてモデル化された車両が（１２）によってモデル化された性能尺度Ｍを満たすことができる（８ａ）に従って、限度を有するヨーレートを軌道の最大のクラスとしての特性Ｐに提供するものである。

同様の動作は、固定された式（７）及び変化する式（１２）を

内に維持するとともに、

を解くことによって実行することができる。ここで、例えば、コスト関数Ｊは、Ｐ内の軌道について達成することができる最適な性能尺度Ｍを求めるために（３０）と同様のものである。

軌道特性及び性能尺度のための車両制御の設計
制御不変集合Ｒが求められた後、幾つかの実施形態は、Ｐ内の任意の軌道についてＭを満たすＶＣ関数を求める。例えば、任意の所与の車両状態ｘ及び軌道状態ｘ_ｒの制御不変集合Ｒから、Ｐを満たす任意の軌道のＭを全ての将来の時刻について保証するために適用することができる入力の集合は、以下のものである。

ＶＣは、

となるような任意のステアリングインクリメントΔｕを選択し、ステアリングコマンドを

として求めるように設計することができる。

特に、ＶＣは、

等の或る特定の性能目的を最小にするステアリングインクリメントΔｕを選択するように設計することができる。ここで、例えば、Ｊは、車両の動きの第２のモデルの次の状態及び制御努力の二次関数

である。ここで、Ｗ_１、Ｗ_２は、行列の重みである。

幾つかの実施形態では、ＳＣは、幾つかのステップのために前もって軌道を生成し、したがって、ＶＣは、現在のステップについてだけでなく、Ｎ＞１の将来のステップについても、以下の式を解くことによって制御動作を最適化することができる。

ここで、例えば、

又は

であり、制約

は、Ｐを満たす任意の軌道の性能尺度Ｍが全ての将来の時点について満たされることを確保する。（１４）を解くことによって取得される制御動作は、ＶＣが後退ホライズン形式で動作するように、ＶＣが制御動作を再計算することが必要となるまで、全て又は部分的に適用することができる。

図１３は、システムがそのような後退ホライズン形式で動作する一実施形態によるＶＣの制御方法のブロック図を示している。任意の制御サイクルにおいて、車両状態及び長さＮの将来の予測ホライズンに沿ったＳＣ軌道が、ＶＣによって入手され（１３０１）、制御問題（３９）が解かれる（１３０２）。結果として得られた入力シーケンス解Δｕ（ｋ）の最初の要素を用いて、ステアリングコマンドδ（κ）が計算される（１３０３）。このステアリングコマンドは、車両に適用されるようにＡＣに設定される（１３０４）。次に、ＶＣは、シーケンスが繰り返されるとき、次の制御サイクルを待つ（１３０５）。

コマンド計算
ＶＣによる制御コマンドの計算は、幾つかの方法のうちの１つで動作させることができる。式（３５）に基づいて、Δｕのランダム選択及びその後に続く式（３５）が満たされていることの検証を含む単純な探索を動作させることができ、否定的な応答の場合、式（３５）を満たすΔｕが選択されるまで、プロセスの反復を動作させることができる。（３７）、（３９）等のコスト関数が最適化される場合について、（５）、（１０）における式は線形であるので、式（７）、（１２）が線形制約によって求められ、したがって、凸多面体
である場合、図１１における方法によって求められるＲも凸多面体であり、したがって、式（３７）、（３９）は、以下の凸制約付き二次計画法の解を計算することによって解くことができる。

ここで、行列Ｑ_ｐ、Ｇ_ｐ、及びベクトルＦ_ｐ、Ｋ_ｐは、式（５）、（７）、（１０）、（１２）、（２７ｂ）から構築される。１つの実施態様は、図１１における方法から結果として得られた領域Ｒが凸多面体（２７ｂ）であるために、式（３７）、（３９）を凸二次計画法（４３）として定式化する。例えば、図１０における方法を用いると、式（３７）、（３９）を凸二次計画法（４３）として定式化することは困難である。

本発明の上記の実施形態は数多くの方法のいずれかにおいて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、集積回路コンポーネント内に１つ以上のプロセッサが含まれる。しかしながら、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。

請求項要素を変更するために特許請求の範囲において「第１の」、「第２の」のような序数の用語を使用することは、それだけで、或る請求項要素が別の請求項要素よりも優先度が高いこと、優位であること、若しくは上位にあることを、又は方法の動作が実行される時間的な順序を暗示するのではなく、請求項要素を区別するために、或る特定の名称を有する１つの請求項要素を（序数用語を使用しなければ）同じ名称を有する別の要素から区別するラベルとして単に使用される。

Claims (20)

1. 車両の動きの第１のモデルと、前記車両の前記動きの第２のモデルとをメモリから選択するステップであって、前記第２のモデルの次数は、前記第１のモデルの次数よりも高く、前記モデルの次数は、前記モデルにおける状態変数の数である、ステップと、
   前記車両の所望の軌道上を移動するための前記車両の動きの前記第１のモデルに対する第１の制約を前記メモリから選択し、前記第１のモデルの状態を前記第２のモデルの状態と結合した制御不変集合を選択するステップであって、前記制御不変部分集合内の前記状態の組み合わせごとに、前記第１の制約を満たす前記第１のモデルの前記状態のあらゆる変更について、前記第２のモデルの前記状態を前記制御不変集合内に維持する前記第２のモデルに対する少なくとも１つの制御動作が存在する、ステップと、
   前記第１のモデルを用いて、前記第１の制約が満たされるような前記所望の軌道の部分を求めるステップと、
   前記第２のモデルを用いて、前記所望の軌道の前記部分に沿って前記車両を移動させるコマンドのシーケンスが、前記所望の軌道の前記部分によって決定される前記第２のモデルの前記状態の前記シーケンス及び前記第１のモデルの前記状態のシーケンスを前記制御不変部分集合内に維持するような該コマンドのシーケンスを求めるステップと、
   前記コマンドのシーケンスからの少なくとも１つのコマンドを用いて前記車両を制御するステップと
   を含み、該方法の各前記ステップは、作動するように前記メモリに接続されたプロセッサを用いて実行される、車両を制御する方法。
2. 実現可能集合から開始するバックワード可到達集合計算を用いて、前記制御不変部分集合を反復して求めるステップを更に含み、
   各反復は、
   前記バックワード可到達集合内の状態ごとに、前記第１の制約を満たす前記第１のモデルの前記状態のあらゆる変更について、前記第２のモデルの前記状態を前記実現可能集合内に維持する少なくとも１つの制御動作が存在するような前記バックワード可到達集合を求めることと、
   前記実現可能集合を前記バックワード可到達集合に置き換えることと、
   を含み、
   前記反復は、終了条件が満たされるまで実行される、請求項１に記載の方法。
3. 前記終了条件は、前記バックワード可到達集合と前記実現可能集合との間の差が閾値未満であることを指定するものである、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の制約を含む前記第１のモデルに対する制約に従って、将来において実現可能な前記第１のモデルの前記状態の許容可能集合を求めるステップと、
   前記第１のモデルの実現可能状態及び前記第２のモデルの実現可能状態の第１の集合と、前記第１の集合と前記許容可能集合との交差集合によって形成される第２の集合との初期値から開始して、前記制御不変集合を反復して求めるステップと
   を更に含み、
   現在の反復は、
   前記第１の制約のみを考慮しながら前記第１の集合のバックワード可到達計算によって第３の集合を構築することと、
   前記第１の集合を、前記第１の集合及び前記第３の集合の交差集合に更新することと、
   前記第２の集合を、前記更新された第１の集合及び前記許容可能集合の交差集合に更新することと、
   前記更新された第２の集合と以前の反復中に更新された前記第２の集合との間の差が閾値よりも小さい場合に、前記制御不変集合を前記更新された第２の集合として決定することと
   を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記車両の前記動きに対する物理制約を満たす実現可能コマンドを選択するステップと、
   前記コマンドによる現在の状態から将来の状態への前記車両の遷移を推定するステップと、
   前記車両の前記将来の状態及び前記第１のモデルの前記状態の前記シーケンスからの最初の要素の組み合わせが前記制御不変集合に属する場合には、前記車両を制御する前記コマンドとして前記実現可能コマンドを選択し、
   そうでない場合には、異なる実現可能コマンドを選択して、前記推定するステップ及び前記選択するステップを繰り返す、ステップと
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記異なる実現可能コマンドは、該異なる実現可能コマンドによって決定される前記将来の状態と前記制御不変集合の前記境界との間の距離を削減するように選択される、請求項５に記載の方法。
7. 前記制御不変集合に属する、前記車両の前記将来の状態及び前記第１のモデルの前記状態の前記シーケンスからの最初の要素の組み合わせを含む制約を条件として前記車両の性能を最適化する最適化問題を定式化するステップと、
   前記最適化問題を解くことによって前記車両を移動させる前記コマンドのシーケンスを選択するステップと
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記車両の前記性能は、前記車両の減少する横加速度、前記車両の減少するヨーレート、前記所望の軌道からの減少する横変位、及び減少するハンドル作動力のうちの１つ又は組み合わせである、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の制約は、前記第１のモデルの状態変数のうちの１つを制限しない、請求項１に記載の方法。
10. 前記第１の制約は、前記第１のモデルの前記状態の間の遷移を決定する、請求項１に記載の方法。
11. 前記第１の制約は、前記所望の軌道の曲率の変化に対する制約、及び前記所望の軌道に沿って前記第１のモデルを遷移させるヨーレートの変化に対する制約のうちの一方又は組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
12. 非空の制御不変集合を可能にする前記第１の制約の最大の値を求めること、
    を更に含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記第１の制約の前記値を削減する一方、前記制御不変集合のサイズを増加させること、
    を更に含む、請求項１２に記載の方法。
14. 車両の動きの第１のモデルと、前記車両の前記動きの第２のモデルと、前記車両の前記所望の軌道に沿って移動する前記第１のモデルに対する第１の制約と、前記第１のモデルの状態を前記第２のモデルの状態と結合した制御不変集合とを記憶するメモリであって、前記第２のモデルの次数は、前記第１のモデルの次数よりも高く、前記モデルの次数は、前記モデルにおける状態変数の数であり、前記制御不変部分集合内の前記状態の組み合わせごとに、前記第１の制約を満たす前記第１のモデルの前記状態のあらゆる変更について、前記第２のモデルの前記状態を前記制御不変集合内に維持する前記第２のモデルに対する少なくとも１つの制御動作が存在する、メモリと、
    前記第１のモデルを用いて、前記第１の制約を満たす前記所望の軌道の部分を求める監視コントローラーと、
    前記第２のモデルを用いて、前記所望の軌道の前記部分に沿って前記車両を移動させるコマンドのシーケンスが、前記所望の軌道の前記部分によって決定される前記第２のモデルの前記状態の前記シーケンス及び前記第１のモデルの前記状態のシーケンスを前記制御不変部分集合内に維持するような該コマンドのシーケンスを求める車両コントローラーと、
    前記コマンドのシーケンスからの少なくとも１つのコマンドを用いて前記車両を制御するアクチュエーターコントローラーと
    を備える、車両を制御するコントローラー。
15. 前記車両コントローラーは、
    前記車両の前記動きに対する物理制約を満たす実現可能コマンドを選択するステップと、
    前記コマンドによる現在の状態から将来の状態への前記車両の遷移を推定するステップと、
    前記車両の前記将来の状態及び前記第１のモデルの前記状態の前記シーケンスからの最初の要素の組み合わせが前記制御不変集合に属する場合には、前記車両を制御する前記コマンドとして前記実現可能コマンドを選択し、
    そうでない場合には、異なる実現可能コマンドを選択して、前記推定するステップ及び前記選択するステップを繰り返す、ステップと
    を行うように構成される、請求項１４に記載のコントローラー。
16. 前記異なる実現可能コマンドは、該異なる実現可能コマンドによって決定される前記将来の状態と前記制御不変集合の前記境界との間の距離を削減するように選択される、請求項１５に記載のコントローラー。
17. 前記車両コントローラーは、
    前記制御不変集合に属する、前記車両の前記将来の状態及び前記第１のモデルの前記状態の前記シーケンスからの最初の要素の組み合わせを含む制約を条件として前記車両の性能を最適化する最適化問題を定式化することと、
    前記最適化問題を解くことによって前記車両を移動させる前記コマンドのシーケンスを選択することと、
    を行うように構成される、請求項１４に記載のコントローラー。
18. 前記車両の前記性能は、前記車両の減少する横加速度、前記車両の減少するヨーレート、前記所望の軌道からの減少する横変位、及び減少するハンドル作動力のうちの１つ又は組み合わせである、請求項１７に記載のコントローラー。
19. 前記第１の制約は、前記所望の軌道の曲率の変化に対する制約、及び前記所望の軌道に沿って前記第１のモデルを遷移させるヨーレートの変化に対する制約のうちの一方又は組み合わせを含む、請求項１４に記載のコントローラー。
20. 方法を実行するプロセッサによって実行可能なプログラムが具現化された非一時的コンピューター可読メモリであって、前記方法は、
    車両の動きの第１のモデルと、前記車両の前記動きの第２のモデルとを該メモリから選択することであって、前記第２のモデルの次数は、前記第１のモデルの次数よりも高く、前記モデルの次数は、前記モデルにおける状態変数の数であることと、
    前記車両の前記所望の軌道上を正確に移動するための前記第１のモデルに対する第１の制約を該メモリから選択し、前記第１のモデルの状態を前記第２のモデルの状態と結合した制御不変集合を選択することであって、前記制御不変部分集合内の前記状態の組み合わせごとに、前記第１の制約を満たす前記第１のモデルの前記状態のあらゆる変更について、前記第２のモデルの前記状態を前記制御不変集合内に維持する前記第２のモデルに対する少なくとも１つの制御動作が存在することと、
    前記第１のモデルを用いて、前記第１の制約を満たす前記所望の軌道の部分を求めることと、
    前記第２のモデルを用いて、前記所望の軌道の前記部分に沿って前記車両を移動させるコマンドのシーケンスが、前記所望の軌道の前記部分によって決定される前記第２のモデルの前記状態の前記シーケンス及び前記第１のモデルの前記状態のシーケンスを前記制御不変部分集合内に維持するような該コマンドのシーケンスを求めることと、
    前記コマンドのシーケンスからの少なくとも１つのコマンドを用いて前記車両を制御することと
    を含む、非一時的コンピューター可読メモリ。

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