JP2020035174A - 目標軌跡の生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＰＳ情報を隊列走行に応用した後続車両の目標軌跡の生成方法を提供する。【解決手段】先行車両は取得したＧＰＳ情報（経度、緯度、方位）を車車間通信にて後続車両に送信する。これを受信した後続車両はクロソイド曲線などの緩和曲線で補間して、その補間曲線上に目標点を定め、自車両で取得したＧＰＳ情報（経度、緯度、方位）の現在位置から先行車軌跡の補間曲線上に定めた目標点に至る間もクロソイド曲線などの緩和曲線で補間して、後続車両の目標軌跡とする。【選択図】図１

Description

本発明は隊列走行において、後続車両が先行車両を追随走行（トラッキング）する際の目標軌跡の生成方法に関する。

トラックなどの複数の車両が隊列を組んで走行する隊列走行は自動運転走行が具現化される１つの形態と言われている。斯かる隊列走行における追随走行（トラッキング）は、先行する車両に対し後続車両の横偏差量を検出し、それを制御量として、横偏差量が十分に小さくなるように、自車両の操舵角を制御するものである。

このような制御技術として、特許文献１では、自車両（後続車両）の前部に設置される検知装置を用い、自車両に先行する車両の後部に設置されるマーカーと先行する車両の後部車体両側端を検知するとともに、そのマーカーと車体両側端までの距離及び照射角度を検知し、この検知情報により前車両に対する自車両の横偏差を算出し、その結果に基づいて、自車両の目標位置を設定して前輪実舵角を制御することが開示されている。

特許文献２には、車車間通信により取得した先行する車両の舵角情報に基づいて自車両を先行車に追従させ、更に直進走行時の先行車両と自車両の舵角の差分を自車両の舵角中心とすることにより誤差が小さくなるように制御することが記載されている。

特許文献３には、自動運転にＧＰＳからの自車位置情報を利用する提案がなされている。具体的には、ＭＥＭＳ慣性センサからの３軸角速度信号及び３軸加速度信号を慣性航法計算部で受け、この慣性航法計算部からの各出力とＧＰＳセンサとタイヤ速度センサとステアリング角センサからの各出力とを減算して誤差を推定して補正することが記載されている。

また、特許文献４には、車両を自動運転する際の走行軌道の一部にクロソイド曲線を設定することが記載されている。このクロソイド曲線は一定の車速で一定の角速度で走行する車両が描く曲線であるため、高速道路の曲線部にも採用されている。

更に、自動運転における障害物回避や進路変更等に関する文献として、非特許文献１〜３が挙げられる。

特許第６１０９９９８号公報 特開２０１３−１０７５７１号公報 特開２０１６−１７７９６号公報 特開２０１８−７９８２３号公報

「基礎自動車工学（後期編）」近藤政市著、養賢堂、1967.4p226-229 「自動運転自動車の走行経路高速生成法」菅沼直樹他、自動車技術論文集、Vol.42No.6.November2011.p1281-1286 「先行車に追随する自動運転車両の目標軌跡生成と制御手法の提案」西崎浩平ほか、日本機械学会論文集、Vol.83,No.852,2017

特許文献１に開示される内容は、検知装置を用いて先行する車両の後部に設置されるマーカーと後部車体両側端を検知するものであり、ＧＰＳとの関係が何ら記載されていない。特に先行車両が何らかの原因、例えば運転知識や運転技能の不足、交通環境の変動などで、不規則或いは不安定な走行を行った場合の後続車両の対処方法が不明である。

特許文献２に開示されるように、先行する車両の舵角情報を取得しても隊列走行を構成する各車両の操舵装置の仕様が異なったり、車両質量や軸距などの車両運動にかかわる諸元も異なると、先行車両の操舵情報をもとに算出した値は、自車両の横偏差とは等しくならないので、先行する車両に対する自車両の車両方向の横偏差が十分に小さくならないおそれがある。

特許文献３には、ＧＰＳによる自車位置の精度を高める手法が記載されているが、算出した自車位置をどのように隊列走行の自動運転に活用するかについての記載はない。

特許文献４は円弧形状からなる部分軌道にクロソイド曲線をつなげて曲線軌道をスムーズに連続させることを開示するのみで、ＧＰＳ情報や隊列走行との関連性の示唆は何ら記載されていない。

また、非特許文献１〜３のいずれも隊列走行特有の問題、即ち、先行車両の位置、方向を如何に後続車両に伝えるか、また先行車両の走行姿勢が後続車両へ悪影響がある場合に、どのようにしてそれを解消するかについて何ら解決するものではない。

上記の課題を解決するため、本発明に係る目標軌跡の生成方法は、複数の車両が自動運転で曲線部分を隊列走行する際に、先行車両のＧＰＳ走行軌跡を後続車両に車車間通信で送信し、後続車両は受信した前記先行車両のＧＰＳ走行軌跡に基づいてリアルタイムで先行車軌跡の補間曲線を生成して、その補間曲線上に当該後続車両の到達目標点を定めて、その到達目標点と自車位置の間を緩和曲線でスムーズにつなぐようにした。

ここで、先行車両とは隊列を構成する先頭の車両を意味し、例えば４台の車両で隊列を組む場合、２番〜４番目の車両は全て後続車両であり、各後続車両毎に先行車両のＧＰＳ走行軌跡に基づいて目標軌跡が生成される。

特許文献１などでは直前の車両の後部に設置されるマーカーなどを検出するようにしているが、本発明にあっては３番目以降の車両も先行車両のＧＰＳ走行軌跡を基準として、他の後続車両の目標軌跡とは異なる独自の目標軌跡が生成される。

また、車速に対する操舵速度が速すぎると、ハンドル振動が生じるため、後続車両の目標軌跡を生成する際には、ハンドル振動が生じない条件で生成するのが好ましい。

本発明に係る目標軌跡の生成方法によれば、トラック等が隊列走行する場合に、先行車両が自由に走行経路を選択しても、後続車両はスムーズに先行車両に追随して走行することができる。

また後続車両の目標軌跡の基準となるのが、先行技術で開示された先行車両の舵角情報ではなく、先行車両の走行軌跡自体であるので、後続する各車両は、先行車両に遅れることなくリアルタイムで目標軌跡を得ることができる。

特にクロソイド曲線などの緩和曲線で補間することにより精度よく安定した追随走行できる目標軌跡を得ることができる。

本発明に係る目標軌跡の生成方法のフローチャート。 緩和曲線としてクロソイド曲線を説明した図 先行車両の走行軌跡に修正を加えた後続車両の目標軌跡の説明図 曲率半径から実舵角を求める方法の説明図 ハンドル振動を抑止する車速と操舵速度との関係を説明した図

図１に示すように、先行車両では取得したＧＰＳ情報（経度、緯度、方位）を平面直交座標に変換し、車車間通信（760MHz V2V 送信間隔0.1秒）にて後続の各車両に送信する。

これを受信した後続の各車両は自車両で取得したＧＰＳ情報（経度、緯度、方位）を平面直交座標に変換し、先行車両の座標と自車両の座標との間をクロソイド曲線でＮ点（x₁,x₂,...x_n、ｙ₁,y₂,...y_{n ,}φ₁,φ₂,…φ_ｎ、・・・ ）補間し、Ｎ点の軌跡座標（ｘ、ｙ）と方位角（φ１）、曲率（ρ1）を求めて先行車目標軌跡（ｈ：参照）とする。

後続の各車両は、先行車目標軌跡に対する追跡偏差（横偏差ｅ2、角偏差ｅ3）を検出し、後続車位置から先行車目標軌跡に至る追跡軌跡（後続車両のクロソイド補間経路）を算出し操舵角を導出する。

図２（ａ）に示すように、クロソイド曲線は車両が一定速度で走行している時にハンドルを一定の割合（角速度）で回したときに車が描く軌跡であり、線分（セグメント）P₀-P₁と軌跡の曲率半径との積が一定値になる。ｂ）に線分（ｈ）の曲率変化を示す、経路角がφo、φv、φuと連続変化して線分（ｈ）の曲率が連続変化する。φ₀が初期方向、φvは初期曲率を持つ円弧、φuは、これにクロソイド分が加わることによる接線角の増分である。

図２（ｃ）は後続車両の１つから先行車両へのクロソイド補間を示したものであり、後続車両は経路角φoでＰo（図３のＰ₀と同じ）にいて、先行車両軌跡のＰ１（図３のＰ１と同じ）点に至ろうとするので、先行車両軌跡に対する後続車両の経路角偏差は「φ1−φ0」になり、位置偏差はＬになる。

上記の関係を図３に示している。図３（ａ）は（ｂ）の一部拡大図、（ｂ）は地球平面座標上で先行車両に追随する後続車の位置関係を示した図である。
横偏差ｅ2と角偏差ｅ3から先行車両の軌跡に流入する後続車両の曲率ρ2が決まる。即ち先行車両の軌跡点Ｐ１と後続車両の現在位置Ｐ２との位置偏差は式（１）で表され、角偏差ｅ3はφ_１ｉ−φ_２ｉである。この角偏差の積分式（２）から、後続車両の経路曲率（ρ２）が求められ、この式（２）がクロソイド補間式で、式（３）は三角関数式である。

先行車両の軌跡からの後続車両の目標軌跡の生成、後続車両の現在位置からの目標軌跡に流入する曲線共に、曲率が大きくなければ、経路長さを変数とするクロソイド曲線に限らず、時間を変数とする三角関数式や多項式曲線近似（最小二乗法、指数関数など）でもよい。

図４は、曲率半径から実舵角を決める方法の説明図であり、前記で求めた後続車両の経路曲率（ρ２）から前輪実舵角を求め、その実舵角からハンドル角（操舵角）を求める。

具体的には、図４の左部分にハンドルを固定し車速一定で旋回する定常円旋回状態を示している。車両は円の中心回りに回転する公転と、自車両の重心回りに回転する自転を伴って旋回する。遠心力に釣り合う求心力を発生する必要から、前軸タイヤ、後軸タイヤが横滑りしてタイヤ横力（コーナリングフォース）を発生させる。

後軸タイヤを横滑りさせるために、車体横滑り角（β）が必要になる。そのため、旋回円に接する絶対速度（Ｖ）、前後速度（Ｖｘ）、横速度（Ｖｙ）の関係が生じる。ＧＰＳで計測される速度は絶対速度（Ｖ）であり、車両の車輪回転から計測される速度は前後速度（Ｖｘ）である。

車速が上昇すると、車両横加速度とタイヤ横力との関係から、横滑り角と回転半径が変化する。横滑り角の変化は式（４）になり、回転半径の変化は式（５）になり、曲率と実舵角の関係は式（６）になる。式（６）に操舵系のオーバーオールギヤレシオを乗ずるとハンドル角（操舵角）になる。

図５は、ハンドル振動を抑止する「車速と操舵速度の関係」を説明した図であり、（ａ）は操舵系の立体図、（ｂ）は車両旋回の平面図である。
クロソイド曲線を辿るように速度制御、操舵制御すれば車両は円滑に走行する筈であるが、実舵輪の回転について、車速による回転速度と操舵による回転速度の関係に注意を要する。

立体図（ａ）において、ハンドル回転速度は、パワーステアリングのギヤ比がかかり、ピットマンアーム、ドラッグリンク、ステアリングアームを経由して右実舵角になり、タイロッド、タイロッドアームを経由して左実舵角になる。

平面図（ｂ）の左前輪の回転速度を例に説明すると、車速による車輪速度（Ｖｃ）に操舵による車輪速度（Ｖｓ）が生じる。車輪速度（Ｖｃ）と車輪速度（Ｖｓ）は逆方向なので、低車速状況下で高操舵速度を加えると、Ｖｃ-Ｖｓが負になる条件が生じる。この条件下では、タイヤ接地面の摩擦がころがり摩擦ではなくすべり摩擦に変化して操舵振動が生じる。この関係の限界に入らないように車速と操舵速度の関係を式（７）により制御する。

Claims (3)

1. 複数の車両が自動運転で曲線部分を隊列走行する際の後続車両の目標軌跡を生成する方法であって、先行車両のＧＰＳ走行軌跡を後続車両に車車間通信で送信し、後続車両は受信した前記先行車両のＧＰＳ走行軌跡に基づいてリアルタイムで先行車軌跡の補間曲線を生成して、その補間曲線上に当該後続車両の到達目標点を定めて、その到達目標点と自車位置の間を緩和曲線でつなぐことを特徴とする目標軌跡の生成方法。
2. 請求項１に記載の追随走行方法において、前記先行車軌跡の補間曲線及び前記到達目標点と自車位置の間の緩和曲線はクロソイド曲線などの緩和曲線とすることを特徴とする目標軌跡の生成方法。
3. 請求項２に記載の追随走行方法において、前記緩和曲線で補間する際の条件は、操舵による操舵輪の車輪回転速度が車速による車輪回転速度を超えないこととすることを特徴とする目標軌跡の生成方法。
   

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