JP2020090119A - 車両制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】乗心地や安全性を確保することのできる車両制御装置を提供する。【解決手段】自車両周囲の運転環境および自車両の目的地に基づいて自車両が安全に運転可能な空間である運転可能領域を演算する運転計画演算部と、前記運転計画演算部で演算した運転可能領域において所定の乗心地条件を満たす経路および速度を含む目標軌道を演算し、その目標軌道に追従するように自車両を制御する車両運動制御部と、を備えることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、自動車等の車両、特に自動運転走行中の目標軌道生成機能および追従制御機能を備えた車両を制御する車両制御装置に関する。

従来、自車両の周辺の物体情報を取得し、取得した物体情報および地図情報に基づき自車両の運転行動を計画し、それに基づき軌道を生成し、その軌道に追従するように自車両を制御するシステムが開発されている（例えば、下記特許文献１を参照）。

特開２０１８−６２２６１号公報

しかしながら、自動運転の走行軌道を生成する演算部と、その走行軌道結果に基づいて、車両の運動を制御する演算部を異なるハードウェアに実装する場合、以下の課題がある。

すなわち、例えば、上記特許文献１に記載のように、異なるハードウェア間の通信インターフェースとして軌道点列情報とした場合、その軌道点列情報のみから車両の運転状態（走行状態）を制御すると、道路路面状況や車両状態によって滑りなどが発生して軌道点列情報に沿って運転（走行）できないときに乗心地が低下する可能性がある。

また、例えば、自動運転制御が実装されたコントローラの電源に故障が発生した場合、自動運転制御が単一のコントローラに実装されている場合には緊急停止するなどの動作を行なうことしか出来ないため、安全性や乗心地を担保することが難しい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、乗心地や安全性を確保することのできる車両制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る車両制御装置は、自車両周囲の運転環境および自車両の目的地に基づいて自車両が安全に運転可能な空間である運転可能領域を演算する運転計画演算部と、前記運転計画演算部で演算した運転可能領域において所定の乗心地条件を満たす経路および速度を含む目標軌道を演算し、その目標軌道に追従するように自車両を制御する車両運動制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、自車両の軌道追従制御が安定することで、自車両の加減速頻度が低減するため、乗心地が悪化することを防ぐことができる。また、自動運転のシステムを複数のコントローラに実装することにより、一つのコントローラに故障が発生した場合にも他のコントローラにより安全に運転（走行・停止）することが可能となる。

上記した以外の課題、構成および効果については、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、本発明の実施例１に係る車両制御装置を搭載した自動運転車両の走行駆動系およびセンサの構成を示したブロック図である。 図２は、本発明の実施例１に係る車両制御装置の構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の実施例１に係る車両制御装置の自動運転計画部の構成を示したブロック図である。 図４は、運転可能領域を説明した説明図であり、（ａ）は自動運転走行シーンの模式図、（ｂ）は（ａ）に示すシーンの運転可能領域および運転不可能領域の模式図である。 図５は、運転可能領域を説明した説明図であり、（ａ）は自動運転走行シーンの模式図、（ｂ）は（ａ）に示すシーンの運転可能領域および運転不可能領域の模式図である。 図６は、本発明の実施例１に係る車両制御装置の車両運動制御部の構成を示したブロック図である。 図７は、本発明の実施例１に係る車両制御装置の軌道候補生成部の構成を示したブロック図である。 図８は、自車両の自動運転の動作の一例を示した説明図である。 図９は、経路長と車両の速度の関係を示した図である。 図１０は、車両の横方向位置および縦方向位置、計画する時間の関係を示した図である。 図１１は、本発明の実施例１に係る車両制御装置の軌道追従制御指令値演算部の処理を示したフローチャートである。 図１２は、自車両の自動運転の動作の一例を示した説明図である。 図１３は、目標軌道再生成時の概念図を示した説明図である。 図１４は、目標軌道再生成時の再接続点の設定方法を説明した説明図である。 図１５は、本発明の実施例２に係る車両制御装置の車両運動制御部の構成を示したブロック図である。 図１６は、本発明の実施例２に係る車両制御装置の故障時軌道生成部の構成を示したブロック図である。 図１７は、故障発生時の退避スペースおよび道路端接続位置の関係を示した説明図である。 図１８は、駐車車両が存在する故障発生時の退避スペースおよび道路端接続位置の関係を示した説明図である。 図１９は、故障発生時の退避スペースへの故障時軌道と通常時の目標軌道の関係を示した説明図である。 図２０は、故障発生時の退避スペースへの故障時軌道と通常時の目標軌道の関係を示した説明図である。 図２１は、本発明の実施例２に係る車両制御装置の目標軌道決定部の構成を示したブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

［実施例１］
図１は、本発明の実施例１に係る車両制御装置１を搭載した自動運転車両（以下、単に車両や自車両ということがある）４０１の全体構成を示した説明図である。なお、図中、ＦＬ輪は左前輪、ＦＲ輪は右前輪、ＲＬ輪は左後輪、ＲＲ輪は右後輪をそれぞれ意味する。

図示実施例の車両４０１は、外界を認識するセンサ２、３、４、５の情報に基づき、車両４０１の進行方向を制御するアクチュエータとしてのステアリング制御機構１０、ブレーキ制御機構１３、スロットル制御機構２０への指令値を演算する車両制御装置１を備える。また、車両４０１は、当該車両制御装置１からの指令値に基づき上記ステアリング制御機構１０を制御する操舵制御装置８と、当該指令値に基づき上記ブレーキ制御機構１３を制御して各輪（ＦＬ輪、ＦＲ輪、ＲＬ輪、ＲＲ輪）のブレーキ力配分を調整する制動制御装置１５と、当該指令値に基づきスロットル制御機構２０を制御してエンジン（不図示）のトルク出力を調整する加速制御装置１９と、自車両４０１の走行計画や周辺に存在する移動体の行動予測等を表示する表示装置２４とを備える。なお、本例では、駆動源としてエンジンを使用しているが、駆動源としてモータを使用した電動車両にも本発明を適用できることは勿論である。

車両４０１は、外界を認識するセンサ２、３、４、５として、前方にカメラ２、左右側方にレーザーレーダ３、４、後方にミリ波レーダ５を備えており、自車両４０１と周囲車両の相対距離及び相対速度を検出することができる。また、車両４０１は、路車間または車々間の通信を行う通信装置２３を備える。なお、本実施例では、センサ構成の一例として上記センサの組み合わせを示しているが、それに限定するものではなく、超音波センサ、ステレオカメラ、赤外線カメラなどとの組み合わせでもよい。上記センサ信号（センサの出力信号）が、車両制御装置１に入力される。

車両制御装置１は、図１に詳細に示していないが、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力装置を有する。上記ＲＯＭには、以下で説明する車両走行制御のフローが記憶されている。詳細は後述するが、車両制御装置１は、生成した走行計画に従って車両走行を制御するための各アクチュエータ１０、１３、２０の指令値を演算する。各アクチュエータ１０、１３、２０の制御装置８、１５、１９は、車両制御装置１の指令値を通信により受信し、当該指令値に基づき各アクチュエータ１０、１３、２０を制御する。

次に、ブレーキの動作について説明する。ドライバが車両４０１を運転している状態では、ドライバのブレーキペダル１２を踏む踏力を、ブレーキブースタ（不図示）で倍力し、マスタシリンダ（不図示）によって、その力に応じた油圧を発生させる。発生した油圧は、ブレーキ制御機構１３を介して、ホイルシリンダ１６ＦＬ〜１６ＲＲに供給される。ホイルシリンダ１６ＦＬ〜１６ＲＲは、不図示のシリンダ、ピストン、パッド等から構成されており、マスタシリンダから供給された作動液によってピストンが推進され、ピストンに連結されたパッドがディスクロータに押圧される。なお、ディスクロータは、車輪とともに回転している。そのため、ディスクロータに作用したブレーキトルクは、車輪と路面との間に作用するブレーキ力となる。以上により、ドライバのブレーキペダル操作に応じて、各輪に制動力が発生させることができる。

制動制御装置１５は、図１に詳細に示していないが、車両制御装置１と同様に例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力装置を有する。制動制御装置１５には、前後加速度、横加速度、ヨーレートを検出可能なコンバインセンサ１４と、各輪に設置された車輪速センサ１１ＦＬ〜１１ＲＲと、上述の車両制御装置１からのブレーキ力指令値と、後述する操舵制御装置８を介したハンドル角検出装置２１からのセンサ信号が入力されている。また
、制動制御装置１５の出力は、不図示のポンプ、制御バルブを有するブレーキ制御機構１３に接続されており、ドライバのブレーキペダル操作とは独立に、各輪に任意の制動力を発生させることができる。制動制御装置１５は、上記情報に基づいて車両４０１のスピン、ドリフトアウト、車輪のロックを推定し、それらを抑制するようにブレーキ制御機構１３等を制御して該当輪の制動力を発生させ、ドライバの操縦安定性を高める役割を担っている。また、車両制御装置１が、制動制御装置１５にブレーキ力指令値を通信することで、車両４０１に任意のブレーキ力を発生させることができ、ドライバの操作が生じない自動運転においては自動的に制動を行う役割を担っている。但し、本発明は上記制動制御装置１５に限定するものではなく、ブレーキバイワイヤ等のほかのアクチュエータを用いてもよい。

次に、ステアリングの動作について説明する。ドライバが車両４０１を運転している状態では、ドライバがハンドル６を介して入力した操舵トルクとハンドル角をそれぞれ操舵トルク検出装置７とハンドル角検出装置２１で検出し、それらの情報に基づいて操舵制御装置８はモータ９を制御してアシストトルクを発生させる。なお、操舵制御装置８も、図１に詳細に示していないが、車両制御装置１と同様に例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力装置を有する。上記ドライバの操舵トルクと、モータ９によるアシストトルクの合力により、ステアリング制御機構１０が可動し、前輪が切れる。一方で、前輪の切れ角に応じて、路面からの反力がステアリング制御機構１０に伝わり、路面反力としてドライバに伝わる構成となっている。

操舵制御装置８は、ドライバのステアリング操作とは独立に、モータ９によりトルクを発生し、ステアリング制御機構１０を制御することができる。従って、車両制御装置１は、操舵制御装置８に操舵力指令値を通信することで、前輪を任意の切れ角に制御することができ、ドライバの操作が生じない自動運転においては自動的に操舵を行う役割を担っている。但し、本発明は上記操舵制御装置８に限定するものではなく、ステアバイワイヤ等のほかのアクチュエータを用いてもよい。

次に、アクセルについて説明する。ドライバのアクセルペダル１７の踏み込み量はストロークセンサ１８で検出され、加速制御装置１９に入力される。なお、加速制御装置１９も、図１に詳細に示していないが、車両制御装置１と同様に例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力装置を有する。加速制御装置１９は、上記アクセルペダル踏み込み量に応じてスロットル開度を調節し、エンジン（のトルク出力）を制御する。以上により、ドライバのアクセルペダル操作に応じて車両４０１を加速させることができる。また、加速制御装置１９は、ドライバのアクセルペダル操作とは独立にスロットル開度を制御することができる。従って、車両制御装置１は、加速制御装置１９に加速指令値を通信することで、車両４０１に任意の加速度を発生させることができ、ドライバの操作が生じない自動運転においては自動的に加速を行う役割を担っている。

次に、本実施例の自動運転用車両制御装置１の構成について、図２に示したブロック図を用いて説明する。

図示実施例の車両制御装置１は、基本的に、後述する自車両を自動的に（自動で）目的地へ運転するための自車両の動作を計画する自動運転計画部（運転計画演算部）２０１、駐車場などで自車両を自動的に駐車枠に駐車させるための自車両の動作を計画する自動駐車計画部（運転計画演算部）２０２、自動運転車両の車両運動を制御するための指令値を生成する車両運動制御部２０３、前述したステアリング・ブレーキ・エンジンなどの各アクチュエータ１０、１３、２０を（制御装置８、１５、１９を介して）制御するためのアクチュエータ制御部２０４を備え、それらは異なるコントローラ（ＥＣＵ）に実装されているとする（このような構成を分散型コントローラということがある）。そのため、各コントローラ間の通信を行なうための車両ネットワーク２０５が必要となる。ただし、車両ネットワーク２０５は、有線接続以外にも無線接続されている場合も考えられる。また、各コントローラへの実装方法としては、自動駐車計画部２０２と自動運転計画部２０１が同一のハードウェアに実装されている場合なども考えられる。また、アクチュエータ制御部２０４の実装についても、エンジン制御用コントローラやブレーキ制御用コントローラなどの異なるハードウェアに実装される場合も考えられる。

次に、本実施例の車両制御装置１に含まれる自動運転計画部２０１の構成および動作について、図３に示したブロック図を用いて説明する。

図示実施例の自動運転計画部２０１は、主に、センサ情報処理部３０５、地図情報処理部３０６、立体物行動予測部３０７、記憶部３０８、運転可能領域演算部３０９からなる。各ブロックについて以下に説明する。

図３に示す例では、外界を認識するセンサとして、電波を対象物に向けて発射し、その反射波を測定することにより、対象物までの距離や方向を測るレーダ３０１、対象物を複数の異なる方向から同時に撮影することにより、その奥行き方向の情報も記録できるようにしたステレオカメラ３０２、車両の速度やタイヤの回転数、GNSS（全球測位衛星システム）を用いた自動運転車両の現在位置情報、自動運転車両に乗員している人がナビゲーションシステムをインターフェースとして入力した目的地情報、電話回線などの無線通信を活用して遠隔地にいるオペレータなどが指定した目的地情報などの車両状態を検知できるセンサ群としての車両センサ３０３、パルス状に発光するレーザー照射に対する散乱光を測定し、遠距離にある対象までの距離を検知するライダー３０４が設けられ、それらの情報に基づいて得られた周囲の環境（運転環境）の情報が、センサ情報処理部３０５に入力され、自車両の周囲に存在する移動物体などの物体情報に変換される。具体的な物体情報としては、歩行者、自転車、車両などの属性情報や、それらの現在位置および現在速度ベクトルを抽出する。ここで、移動物体には、現時刻で得られた速度がゼロであったとしても、将来において動く可能性がある駐車車両などは含めるものとする。また、自車両が自動運転を開始する地点から目標地点およびその周辺に関する道路情報や信号機情報、現在位置から目標地点までのルート情報、走行する区間の交通ルールデータベースなどを記憶する記憶部３０８がある。また、記憶部３０８の記憶している情報に基づいて自動運転を行なうために必要な道路の車線中心線情報や信号機情報に基づいて、自動運転車両が通行予定である信号機の点灯情報などを整理して利用できる形式にするための地図情報処理部３０６がある。

次に、前記の物体情報および地図情報が（センサ情報処理部３０５および地図情報処理部３０６から）立体物行動予測部３０７に入力される。立体物行動予測部３０７では、入力情報に基づいて、各移動物体の将来の位置および速度情報（物体予測情報）を演算する。各移動物体の動きを予測するために、物体情報に基づいて各物体の将来時間Tにおける位置R(X(T),Y(T))を予測する。予測する具体的な方法としては、移動物体の現在位置Rn0(Xn(0),Yn(0))、現在速度Vn(Vxn,Vyn)とした場合、以下の線形予測式（１）に基づいて、予測演算を行なう方法が考えられる。
［数１］

ここでの演算方法は、各物体は将来時間において現在速度を維持して移動する等速直線運動することを仮定している。これにより、立体物行動予測部３０７は、短時間に多くの物体の予測が可能となる。

次に、立体物行動予測結果および地図情報が（立体物行動予測部３０７および地図情報処理部３０６から）運転可能領域演算部３０９に入力される。運転可能領域演算部３０９では、後述するように、入力情報に基づいて、自車両（自動運転車両）が他車両および自車両周辺に存在する立体物に衝突せず、かつ、ルート情報および現在の車両状態（速度、位置、向きなど）に適した、運転可能領域を演算して出力する。

次に、前記運転可能領域演算部３０９で演算する本実施例の運転可能領域について、図４（ａ）に示した代表的なシーンの模式図を用いて説明する。このシーンにおいて、自車両４０１が自動運転走行を行なっている。また、対向１車線道路とし、対向車線には他車両４０２が走行している。また、自車両４０１の進行方向に対して左前方に立体物（落下物）４０３が存在する。また、道路と歩道の境界として配置されているフェンス４０５がある。また、ステレオカメラ３０２（図３参照）の検知情報、もしくは、自車両４０１の位置情報に基づいて自車両周辺地図から入手する方法などで、自車両４０１が安全に停車することができる道路の端として道路端点列４０７および道路の中心として道路中心線４０６の情報（道路端情報および道路中心情報）を自車両４０１は得ることができるものとする。また、立体物行動予測部３０７の出力結果である他車両４０２の予測軌道情報４０４が得られている。

この状態において、図４（ｂ）には、運転可能領域４０８および運転不可能領域４０９を示す。これは、前述したように自車両（自動運転車両）４０１が他車両４０２および自車両４０１周辺に存在する立体物４０３に衝突するか否か、かつ、ルート情報および現在の車両状態（速度、位置、向きなど）に基づいて演算される。より詳しくは、前記運転可能領域演算部３０９は、図４（ｂ）に示す例では、現在の自車両位置から進行方向（目的地の方向）に向かって所定距離（例えば速度などに応じた距離）かつ両フェンス４０５間の道路を複数のセグメント領域（小空間）に区画し、その複数のセグメント領域のうち、自車両（自動運転車両）４０１が他車両４０２および自車両４０１周辺に存在する立体物４０３に衝突せず、かつ、ルート情報および現在の車両状態（速度、位置、向きなど）に適した（例えば、道路端点列４０７と道路中心線４０６の間で安全に走行できる）複数のセグメント領域（セグメント領域群）を運転可能領域４０８として選択し、運転可能領域４０８以外の（複数の）セグメント領域を運転不可能領域４０９として選択する。図４（ａ）に示すシーンでは、立体物４０３が存在している付近では自車両４０１との衝突が予見されるため、図４（ｂ）に示すように、その部分が運転不可能領域４０９として定義されている。衝突に対して演算する方法として、将来時刻において、自車両と予測移動物体が衝突する確率が所定値以上あるか否かを演算し、所定値以上の場合は自車両への影響あり、所定値以下の場合には、自車両への影響なしと判定する。衝突する確率を演算する方法としては、将来位置における各物体と自車両との衝突予想時間ＴＴＣ（Ｔｉｍｅ Ｔｏ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ）を用いる方法が考えられる。ここで、ＴＴＣ[s]=相対距離[m]÷相対速度[m/s]である。ＴＴＣを用いた判定方法としては、ＴＴＣが第１所定値以下である場合は、衝突確率５０％、ＴＴＣが第２所定値（＜第１所定値）以下である場合は、衝突確率７０％などとし、ＴＴＣが第１所定値以上の衝突確率の場合には衝突すると判定する方法が考えられる。

次に、前記運転可能領域演算部３０９で演算する本実施例の運転可能領域について、図５（ａ）に示した代表的なシーンの模式図を用いて説明する。図５（ａ）が図４（ａ）と異なる点としては、対向車線を走行する他車両４０２の進行方向に対して左前方に立体物（落下物）４０３が存在する。そのため、他車両４０２は自車両４０１が存在する車線側にはみ出して走行してくることが立体物行動予測部３０７により予測される。そのため、他車両４０２の予測軌道情報４０４が自車線上に存在している部分がある。これにより、図５（ｂ）に示すように、図４（ｂ）に示した運転可能領域４０８の一部が運転不可能領域４０９となっている。より詳しくは、前記運転可能領域演算部３０９は、図５（ｂ）に示す例では、自車両４０１が存在する車線（自車線）に設定されたセグメント領域のうち、立体物（落下物）４０３の近くの道路中心線４０６に隣接する（複数の）セグメント領域を運転不可能領域４０９として選択（定義）する。また、図５（ａ）に示すシーンでは、図４（ａ）に示すシーンと比べて、自車両４０１が存在する車線側（詳しくは、自車両４０１の進行方向に対して左前方）に立体物（落下物）が存在しないため、前記運転可能領域演算部３０９は、その部分に設定された（複数の）セグメント領域については運転可能領域４０８として選択（定義）する。

これにより、自動運転計画部２０１は、自車両４０１周囲の運転環境および自車両４０１の目的地などに応じて自車両４０１が安全に運転可能な空間からなる運転可能領域を演算する。

なお、本実施例の車両制御装置１に含まれる自動駐車計画部２０２は、基本的に目的地が駐車場などの駐車枠で、自動駐車中の（駐車枠までの）運転可能領域および運転不可能領域を演算する以外は、前述した自動運転計画部２０１とほぼ同じである。

次に、本実施例の車両制御装置１に含まれる車両運動制御部２０３の構成および動作について、図６を用いて説明する。

車両運動制御部２０３は、自動運転計画部２０１や自動駐車計画部２０２から出力される運転可能領域および周辺地図情報に基づいて、アクチュエータ１０、１３、２０の指令値（アクチュエータ目標値や軌道追従制御指令値ともいう）を演算する。車両運動制御部２０３の中には、軌道候補生成部６０１、軌道評価部６０２、目標軌道決定部６０３、軌道追従制御指令値演算部６０４が存在する。各ブロックについて以下に説明する。

軌道候補生成部６０１では、運転可能領域および周辺地図情報に基づいて軌道候補を生成する。例えば、図７に示すように、軌道候補生成部６０１には、経路候補生成部７０１および速度候補生成部７０２が存在する方法が考えられる。この方法では、始めに経路候補生成部７０１にて経路（時系列情報を持たずに、自車両が通過する点列）を運転可能領域および周辺地図情報に基づいて演算する。その方法としては、入力される運転可能領域内において、下記の変分方程式（２）を満たすような経路を候補とする方法が考えられる。
［数２］

ここで、自車両の将来の運動状態を演算する方法としては、車両のプラントモデルを利用する方法が考えられる。プラントモデルとしては例えば、バイスクルモデルや４輪モデルなどを用いることが考えられる。上記の変分方程式（２）で演算した経路を走行した場合の車両の挙動（車両の縦加速度、横加速度、車頭角度など）をモデルから得ることができる。以下に述べる速度候補生成部７０２においても、同様のモデルを用いて将来の車両挙動を予測することが可能となる。

この方程式（２）の出力は、各係数の重み(w1,w2,w3)を変更することや、評価する項目を変更することにより、複数の経路を生成することが可能となる。また、この方程式（２）からの出力以外にも、運転可能領域内の自車線の車線中心点列を利用する方法も考えられる。これらの複数（もしくは単一でも可）の経路候補に対して、速度候補生成部７０２では、下記の方程式（３）を満たすような速度列情報を速度候補とすることが考えられる。方程式（３）中のw4,w5,w6は各係数の重みである。
［数３］

このときに速度候補として取り得る範囲について、例えば図４（ａ）および図５（ａ）に示すシーンでは、自車両４０１の前後（自車線内）に他車両が存在していないため、道路に規定されている法廷速度以下の範囲内で検索する方法が考えられる。一方、例えば図８に示すシーンのような、自車両４０１が運転可能領域４０８内で生成された経路候補（後述する目標軌道に対応）９０１に沿って走行し、対向車線に他車両（対向車両）４０２ａが存在するとともに、自車両４０１の前後（自車線内）に他車両（先行車両４０２ｃおよび後続車両４０２ｂ）が存在する場合には、自車両４０１が衝突せずに走行できる速度範囲は制限される。例えば、図９に示すように、横軸を候補経路の経路長として、縦軸を速度とした場合に、自車両４０１の速度範囲（速度幅）として、先行車両４０２ｃとの衝突を防ぐ上限速度および、後続車両４０２ｂとの衝突を防ぐための下限速度を規定することが可能となる。これらの上限速度および下限速度を算出する方法としては、先行車両４０２ｃおよび後続車両４０２ｂとのＴＴＣが所定時間以内（例えば２秒以内）とならないようにする自車両の速度を演算する方法が考えられる。

また、より一般的に図１０に示すように、車両の横方向位置および縦方向位置および時間方向における他物体（他車両など）の衝突確率を演算することにより、運転可能領域４０８ａ〜４０８ｅを定義（作成）する方法も考えられる。この空間内において目標動作点列である候補軌道点列１００１ａ〜１００１ｅを定義（作成）する方法も考えられる。また、上記に述べた経路候補および速度候補の生成を同時に求める方式も考えることが出来る。

上述した方法に基づいて、軌道候補生成部６０１では、経路候補および速度候補からなる軌道候補を生成し、その軌道候補を軌道評価部６０２に出力する。

図６に戻り、次に、軌道評価部６０２では、軌道候補生成部６０１で生成された軌道候補に対して、評価を行なう。軌道評価部６０２での評価の方法としては、それぞれの軌道候補に対して、下記の方程式（４）の乗心地を示す評価項目（例えば、車両横方向の加速度の２乗、車両縦方向の加速度の２乗、それら加速度を微分した加々速度の２乗の線形和）とする方法が考えられる。ただし、v1,v2,v3,v4は重み係数である。
［数４］

次に、目標軌道決定部６０３では、軌道評価部６０２で評価されたそれぞれの軌道候補から、所定の乗心地条件を満たす候補軌道を選択する。目標軌道決定部６０３での選択の方法としては、それぞれの軌道候補に対して、最も乗心地が良い評価値となる（すなわち、乗心地評価値の最も高い）候補軌道を選択する方法が考えられる。目標軌道決定部６０３では、選択した候補軌道を目標軌道として軌道追従制御指令値演算部６０４に出力する。ただし、このとき、目標軌道決定部６０３は、一度選択した候補軌道については所定時間は変更しないように軌道評価部６０２で得られた乗心地評価値に対して、重みをつけて調整する方法が考えられる。これは、例えば車線変更を意図する候補軌道を選択した次の演算周期において、目標軌道決定部６０３側で車線変更しないで現在車線を意図する候補軌道を選択するようなことがあった場合に、乗員が車両の動作に不安を持つ可能性があるためである。

次に、軌道追従制御指令値演算部６０４では、目標軌道決定部６０３で選択・決定した目標軌道に対して、車両４０１が追従するようにステアリング指令値やブレーキ動作量、エンジン出力値などを演算する。この方法について、図１１のフローチャートを用いて説明する。

図１１に示すように、ステップＳ８０１では、軌道追従制御指令値演算部６０４（ＣＰＵ）は、目標軌道決定部６０３で決定した目標軌道に対して、目標軌道に追従するためのステアリング、ブレーキ、エンジンの指令値（軌道追従制御指令値）を演算する。ステアリングの指令値を演算する方法としては、目標軌道との誤差が減少するように操舵量を決定する方法が知られている。また、目標速度を実現するエンジンおよびブレーキへの指令値を演算する方法としては、従来の所定の速度で車両を制御することが出来るクルーズコントロール制御の演算手法を用いる方法が考えられる。

ステップＳ８０２では、軌道追従制御指令値演算部６０４（ＣＰＵ）は、ステップＳ８０１で得られた軌道追従制御指令値に基づき、乗心地判定を行なう。ここではステップＳ８０１で得られた軌道追従制御指令値を車両のプラントモデルへ入力することにより車両に生じる加速度や加々速度を演算し、その値が所定値範囲内（例えば、加速度の上限値としては２ｍ／ｓ^２）となっていることを判定する。ここで、プラントモデルとしては前述したようなバイスクルモデルや４輪モデルなどを用いることが考えられるが（上述の軌道候補生成部６０１および軌道評価部６０２参照）、より短い演算周期で演算を行なうために、簡易的な演算処理として、予め車両状態と目標制御量を入力としてテーブルとしたものを参照する方式を利用する方法も考えられる。この乗心地判定の結果、乗心地が良いと判定された場合にはこのフローは終了し（つまり、ステップＳ８０１で得られた軌道追従制御指令値を出力し）、乗心地が悪いと判定された場合（換言すれば、自車両の運転中に所定の乗心地条件から外れた場合）にはステップＳ８０３に進む。

ステップＳ８０３では、軌道追従制御指令値演算部６０４（ＣＰＵ）は、運転可能領域と周辺地図情報および再生成前の目標軌道に基づいて、目標軌道を再生成する。ここでの目標軌道を再生成する方法としては、再生成前の目標軌道に対して、現在の自車両位置座標を滑らかに接続するように目標軌道を再生成する方法が考えられる。

図１２は、前述した図４（ａ）に示すシーンにおいて、時刻Ｔ１における自車両４０１ａおよびその目標軌道（以下、再生成前目標軌道ということがある）９０１ａ、時刻Ｔ２における自車両４０１ｂおよびその目標軌道（以下、再生成後目標軌道ということがある）９０１ｂを示し、図１３は、図１２に示すシーンにおける目標軌道再生成方法の概念図を示す。図１３に示すように、現在の時刻Ｔ２において、自車両４０１ｂの現在位置（車両中心もしくは車両重心位置）１９０１と再生成前目標軌道９０１ａとの間に離間量１９０３が生じている場合、再生成前目標軌道９０１ａに対して（詳しくは、再生成前目標軌道９０１ａ上で自車両４０１ｂの現在位置より進行方向側に）再接続点（軌道接続点ともいう）１９０４を設定し、また必要に応じて、再生成前目標軌道９０１ａを延長するように、目標軌道９０１ｂを再生成する。ここで、自車両４０１ｂの現在速度方向に基づいて、自車両４０１ｂの現在速度方向軸１９０２およびそれに対して垂直方向軸１９０６を設定する。

次に、前記した再接続点１９０４の設定方法について、図１４を用いて説明する。図１４に示すように、横軸に離間量と自車両速度の積、縦軸に自車両から再接続点までの接続距離とした場合に、離間量１９０３（軸１９０６方向の距離）と自車両４０１ｂ速度の積が増加するに従い、自車両４０１ｂの現在位置１９０１から再接続点１９０４までの接続距離１９０５（軸１９０２方向の距離）が増加するように、再接続点１９０４を設定する。

また、再生成前目標軌道９０１ａと再生成後目標軌道９０１ｂは、再接続点１９０４における接線の傾き１９０７が略一致するように、目標軌道９０１ｂを定めるようにする方法も考えられる。

このようにすることで、離間量１９０３が大きい場合もしくは自車両４０１ｂ速度が大きい場合は、再接続点１９０４までの接続距離１９０５が大きくなり、再生成前目標軌道９０１ａに対して滑らかに接続されるように目標軌道（再生成後目標軌道）９０１ｂが生成されて、自車両の乗心地を損なわないことになる。

なお、ステップＳ８０３で再生成した目標軌道に対して、軌道追従制御指令値演算（ステップＳ８０１）や乗心地判定（ステップＳ８０２）を繰り返し行ない、この乗心地判定の結果、乗心地が良いと判定された場合に、このフローは終了する（つまり、ステップＳ８０１で得られた軌道追従制御指令値を出力する）。

次に、本実施例１の車両制御装置１の車両運動制御部２０３の動きについて、例えば図１２に示した状況における作用効果を以下に説明する。

図１２に示したシーンは、時刻Ｔ１において自車両４０１は自車両４０１ａの位置に位置しており、運転可能領域４０８と周辺状況に基づいて目標軌道９０１ａを生成して追従制御を行なっている場面である。所定時間（例えば、10msec）経過して時刻Ｔ２になった際に、自車両４０１は自車両４０１ｂの位置に移動している。この間に自車両４０１は目標軌道９０１ａに追従するように追従制御を行なっていたが、道路路面状況や車両状態により、目標軌道９０１ａから誤差が生じているとする。また、運転可能領域４０８は時刻Ｔ１から更新されていないとする。ここで、時刻Ｔ１において作成した目標軌道９０１ａに追従するように制御を行なうと、制御量（例えば操舵角度）を増やす必要があり、その結果、乗心地が悪化することが懸念される。そのため、車両運動制御部２０３（の軌道追従制御指令値演算部６０４）は、運転可能領域４０８内で再度軌道を生成し（つまり、目標軌道９０１ｂを再生成し）、新たな目標軌道９０１ｂに追従するように制御することで、制御量を増やすことなく、安全かつ乗心地を損なわない自動運転が可能となる。

本実施例の車両制御装置１に含まれるアクチュエータ制御部２０４は、前述したように、車両運動制御部２０３（の軌道追従制御指令値演算部６０４）から出力された軌道追従制御指令値（アクチュエータ目標値）に基づいて、ステアリング・ブレーキ・エンジンなどの各アクチュエータ１０、１３、２０を（制御装置８、１５、１９を介して）任意に制御することで、車両制御装置１は、前記した自動運転を実現する。

以上で説明したように、本実施例の車両制御装置１によれば、自車両の軌道追従制御が安定することで、自車両の加減速頻度が低減するため、乗心地が悪化することを防ぐことができる。また、自動運転のシステムを複数のコントローラに実装することにより、一つのコントローラに故障が発生した場合にも他のコントローラにより安全に運転（走行・停止）することが可能となる。

［実施例２］
次に、図１５〜図２１を参照して、本発明の実施例２を詳細に説明する。本実施例２は、上述した実施例１に対し、運転可能領域を演算・出力する自動運転計画部２０１や自動駐車計画部２０２が故障した際のフェールセーフ構成またはバックアップ構成として故障検知部１５０１および故障時軌道生成部１５０２を車両運動制御部２０３が有する点が異なる。その他の構成は上述した実施例１とほぼ同じであり、実施例１と同じ構成には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施例の車両制御装置１に実装されている車両運動制御部２０３の構成および動作について、図１５に示したブロック図を用いて説明する。

図示するように、本実施例２においては、上述した実施例１に対して、故障検知部１５０１および故障時軌道生成部１５０２が追加されている。

故障検知部１５０１では、自動運転計画部２０１や自動駐車計画部２０２（図２参照）が故障して正常な運転可能領域を送信できていないことを検知する。換言すれば、故障検知部１５０１では、自車両の運転中に自動運転計画部２０１や自動駐車計画部２０２に故障が発生して当該自動運転計画部２０１や自動駐車計画部２０２から正常な運転可能領域を受信することが不能になったことを検知する。例えば、故障検知部１５０１は、車載ネットワーク２０５経由で受信している運転可能領域の結果が所定時間にわたって更新されていないことを検知したときに、自動運転計画部２０１や自動駐車計画部２０２が故障していると判断する方法が考えられる。故障検知部１５０１の故障検知情報は、目標軌道決定部６０３に送られる。

次に、故障時軌道生成部１５０２では、運転可能領域および周辺地図情報に基づいて故障時軌道を生成する。そのために、図１６に示すように、故障時軌道生成部１５０２には、退避スペース算出部１６００、故障時経路生成部１６０１および故障時速度生成部１６０２、ドライバ警報部１６０３が存在する方法が考えられる。

その故障時軌道生成部１５０２の方法を、図１７を用いて説明する。図１７に示したシーンにおいて、時刻Ｔａにおいて、故障検知部１５０１が故障を検知したとする。このときに、退避スペース算出部１６００は、この時刻Ｔａまでに受信していた最新の運転可能領域４０８および道路端点列４０７の情報を用いて、接続道路端情報１４０１を演算する。この接続道路端情報１４０１の演算は、例えば、運転可能領域４０８内において、現在自車線内の道路端情報である道路端点列４０７を抽出することにより行われる。道路端情報である道路端点列４０７に関しては、自車両位置とともに、記憶部３０８（図３参照）に保存されている地図情報に基づいて算出する方法と、車両センサとして自車両に搭載されているステレオカメラ３０２（図３参照）からの情報を利用する方法が考えられる。例えば、図１８に示すように自車両４０１の左前方に駐車車両４０２ｄが存在するような場合においては、駐車車両４０２ｄの位置には運転可能領域４０８が定義されない（換言すれば、駐車車両４０２ｄの位置には運転不可能領域が定義され、駐車車両４０２ｄを避けた位置に運転可能領域が定義される）ので、駐車車両４０２ｄを避けた前方に接続道路端情報１４０１が定義される。

次に、退避スペース算出部１６００は、この時刻Ｔａまでに受信していた最新の運転可能領域４０８および接続道路端情報１４０１に基づいて、当該接続道路端情報１４０１の所定位置に、自車両４０１の車両サイズから安全に停止（停車）させることができる領域（スペース）である退避スペース１４０２を演算する。この退避スペース１４０２の演算は、例えば、接続道路端情報１４０１の中で自車両４０１の車両サイズより大きく自車両４０１から最も近い領域（スペース）を抽出することにより行われる。退避スペース１４０２に関しても、自車両位置とともに、記憶部３０８（図３参照）に保存されている地図情報に基づいて算出する方法と、車両センサとして自車両に搭載されているステレオカメラ３０２（図３参照）からの情報を利用する方法が考えられる。

一方、退避スペース算出部１６００において、運転可能領域４０８内に退避スペース１４０２が検出できない場合には、ドライバ警報部１６０３において、ドライバに対してドライバ操作により自車両４０１を安全に停車させることを促す警報を発生させる。

退避スペース算出部１６００で上記方法によって算出された退避スペース１４０２に対して、故障時経路生成部１６０１および故障時速度生成部１６０２は、それまでに受信していた最新の運転可能領域４０８内において自車両４０１を安全に運転・停止させる故障時軌道（退避軌道ともいう）を演算する。なお、この故障時経路生成部１６０１および故障時速度生成部１６０２による故障時軌道の生成は、図６および図７などに基づき説明した軌道候補生成部６０１の経路候補生成部７０１および速度候補生成部７０２による軌道候補（目標軌道に対応）の生成とほぼ同じであるので、ここでは詳細説明は割愛する。また、ここでは、故障時経路生成部１６０１および故障時速度生成部１６０２は、１本の故障時軌道を演算するものとしているが、軌道候補生成部６０１の経路候補生成部７０１および速度候補生成部７０２と同様に、運転可能領域４０８において複数本の（候補）故障時軌道を算出し、それらの（候補）故障時軌道に対して、評価を行なうようにしてもよいことは当然である。例えば、図１７に対応した図１９に示すようなシーンの場合、通常時の軌道候補（目標軌道に対応）９０１とともに故障時経路生成部１６０１および故障時速度生成部１６０２により故障時軌道１３０１が算出される。

また、別の故障時軌道生成手法について、ドライバ状態（例えば、ドライバが乗席しているか否かなど）を監視（モニタ）するセンサが自車両４０１に付設されている場合において、ドライバが運転を引き継げるか否かを判定し、所定時間内（例えば２秒間）にドライバへの運転の引継ぎが完了できることが判定された場合に、故障時経路生成部１６０１において、所定時間内は従来の目標軌道を走行し、所定時間後からはその目標軌道から（逸脱して）退避スペースへ向かう（退避する）経路を生成する方法も考えられる。この方法を、図１７および図１９に対応した図２０を用いて説明する。故障時経路生成部１６０１は、故障前の目標軌道９０１に対して、故障時引継ぎ経路１３０３を生成している。この故障時引継ぎ経路１３０３を生成する際に、故障時経路生成部１６０１は、所定時間内で走行できる経路１３０２は故障前の目標軌道９０１と同一の経路を使用し、その後に（予め退避スペース算出部１６００により算出された）退避スペース１４０２に向かう経路を目標軌道９０１の所定位置から分岐して生成している。このときに、退避スペース算出部１６００による退避スペース１４０２の設定方法としては、所定時間走行した後に安全に停止できる運転可能領域４０８内のスペースを探索する方法が考えられる。

上記のように故障時軌道生成部１５０２が経路（並びに軌道）を生成することにより、所定時間内にドライバへの運転引継ぎが可能となる場合には、すぐに退避スペースで停車することなく、自車両４０１の運転を継続することができるようになる。

故障時軌道生成部１５０２で生成された故障時軌道は、目標軌道決定部６０３に送られる。

図１５に戻り、目標軌道決定部６０３では、図２１に示すブロック図に基づいて目標軌道を算出・決定する。すなわち、目標軌道決定部６０３は、通常時は、前述したように、軌道候補生成部６０１で生成されて軌道評価部６０２で評価されたそれぞれの軌道候補から、所定の乗心地条件を満たす候補軌道を選択するが、故障検知部１５０１の故障検知情報に基づいて、故障検知情報で自動運転計画部２０１や自動駐車計画部２０２が故障となっていると判断した場合には、故障時軌道を目標軌道として選択する。

軌道追従制御指令値演算部６０４では、前述したように、目標軌道決定部６０３で選択・決定した目標軌道に対して、車両４０１が追従するようにステアリング指令値やブレーキ動作量、エンジン出力値などを演算して出力する。なお、このときに、ドライバが運転を引き継いだ場合には、軌道追従制御指令値演算部６０４は、それに応じたステアリング指令値やブレーキ動作量、エンジン出力値などを演算して出力することになる。

次に、本実施例２の車両制御装置１の車両運動制御部２０３の動きについて、例えば図１７に示した状況における作用効果を以下に説明する。

図１７に示したシーンにおいて、時刻Ｔａにおいて故障を検知した場合に、自動運転計画部２０１や自動駐車計画部２０２だけでは緊急停止させることしか出来ない場合が考えられるが、前述したように車両運動制御部２０３において運転可能領域４０８に基づいて故障時の軌道生成を行なう（言い換えれば、故障時軌道を生成する）ことにより、道路端に対して安全に車両４０１を停車させることができるようになる。また、緊急停止させることなく、ドライバ警報部１６０３においてドライバに対して警報を発することにより、より安全にドライバに運転を引き継ぐことが出来るようになる。

以上で説明したように、本実施例２においても、上述した実施例１と同様に、自車両の軌道追従制御が安定することで、自車両の加減速頻度が低減するため、乗心地が悪化することを防ぐことができる。また、自動運転のシステムを複数のコントローラに実装することにより、一つのコントローラに故障が発生した場合にも他のコントローラにより安全に運転（走行・停止）することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形形態が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１ 車両制御装置
２〜５ センサ
８ 操舵制御装置
１５ 制動制御装置
１９ 加速制御装置
２３ 通信装置
２４ 表示装置
２０１ 自動運転計画部（運転計画演算部）
２０２ 自動駐車計画部（運転計画演算部）
２０３ 車両運動制御部
２０４ アクチュエータ制御部
２０５ 車載ネットワーク
３０１ レーダ
３０２ ステレオカメラ
３０３ 車両センサ
３０４ ライダー
３０５ センサ情報処理部
３０６ 地図情報処理部
３０７ 立体物行動予測部
３０８ 記憶部
３０９ 運転可能領域演算部
４０１ 自車両（自動運転車両）
４０２ 他車両
４０３ 立体物（落下物）
４０４ 他車両の予測軌道情報
４０５ フェンス
４０６ 道路中心線
４０７ 道路端点列
４０８ 運転可能領域
４０９ 運転不可能領域
６０１ 軌道候補生成部
６０２ 軌道評価部
６０３ 目標軌道決定部
６０４ 軌道追従制御指令値演算部
７０１ 経路候補生成部
７０２ 速度候補生成部
９０１ 目標軌道
１３０１ 故障時軌道（退避軌道）
１４０１ 接続道路端情報
１４０２ 退避スペース
１５０１ 故障検知部
１５０２ 故障時軌道生成部
１６００ 退避スペース算出部
１６０１ 故障時経路生成部
１６０２ 故障時速度生成部
１６０３ ドライバ警報部

Claims (13)

1. 自車両周囲の運転環境および自車両の目的地に基づいて自車両が安全に運転可能な空間である運転可能領域を演算する運転計画演算部と、
   前記運転計画演算部で演算した運転可能領域において所定の乗心地条件を満たす経路および速度を含む目標軌道を演算し、その目標軌道に追従するように自車両を制御する車両運動制御部と、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、
   前記所定の乗心地条件は、自車両の加速度の２乗および加加速度の２乗の線形和を含むことを特徴とする車両制御装置。
3. 請求項１に記載の車両制御装置において、
   前記車両運動制御部は、自車両の運転中に前記所定の乗心地条件から外れた場合、前記目標軌道を再生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、
   前記車両運動制御部は、現在自車両位置と再生成前目標軌道とに基づき、再生成前目標軌道上に再接続点を設定し、その再接続点において再生成前目標軌道と接続するように前記目標軌道を再生成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、
   前記車両運動制御部は、自車両と再生成前目標軌道との離間量と自車両速度の積が増加するに従い、自車両と再接続点との接続距離が増加するように、前記再接続点を設定することを特徴とする車両制御装置。
6. 請求項４に記載の車両制御装置において、
   前記車両運動制御部は、再生成前目標軌道と再生成後目標軌道の再接続点における接線の傾きが一致するように前記目標軌道を再生成することを特徴とする車両制御装置。
7. 請求項１に記載の車両制御装置において、
   前記車両運動制御部は、自車両の運転中に前記運転計画演算部に故障が発生して前記運転計画演算部から運転可能領域を受信することが不能になった際に、故障発生前までに受信した運転可能領域と道路端情報を用いて、自車両を安全に停止させる故障時軌道を演算する故障時軌道生成部を有することを特徴とする車両制御装置。
8. 請求項７に記載の車両制御装置において、
   前記故障時軌道生成部は、故障発生前の運転可能領域に基づき車両サイズより大きな退避スペースを算出し、前記退避スペースに基づき前記故障時軌道を演算することを特徴とする車両制御装置。
9. 請求項７に記載の車両制御装置において、
   前記道路端情報は、自車両位置と前記運転計画演算部に記憶されている地図情報もしくは自車両に取り付けられているステレオカメラから得られることを特徴とする車両制御装置。
10. 請求項８に記載の車両制御装置において、
    前記故障時軌道生成部が退避スペースを検出できない場合、ドライバに対して、ドライバ操作によって自車両を停車させることを促す警報を発生するドライバ警報部を有することを特徴とする車両制御装置。
11. 請求項８に記載の車両制御装置において、
    前記故障時軌道生成部は、ドライバ状態をモニタして運転引継ぎが可能か否かを判断し、ドライバへの運転引継ぎが所定時間内に完了できることが判定された場合、故障前目標軌道を所定時間走行した後に退避スペースへ退避するように故障時軌道を生成することを特徴とする車両制御装置。
12. 請求項７に記載の車両制御装置において、
    前記車両運動制御部は、運転可能領域が所定時間にわたって更新されていないことを検知したときに前記運転計画演算部が故障していると判断する故障検知部を有することを特徴とする車両制御装置。
13. 請求項１に記載の車両制御装置において、
    前記運転計画演算部と前記車両運動制御部とが異なるコントローラに実装されていることを特徴とする車両制御装置。

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