JP2022536743A - 自律走行車のための軌道形状生成方法及び装置 - Google Patents

Abstract

自律走行車又は運転者支援型自律走行車（ＡＶ）の移動方向及び速度を制御する装置である。ＧＰＳ及びマップモジュールは、ＡＶの出発位置及び目的位置を受け取る。複数のセンサは、ＡＶの現在の車線及び提案された車線を特定する。ＡＶの移動方向及び速度のうちの１又は２以上の制御に使用されるＡＶベースライン操縦プロファイルのデータベースが設けられる。軌道プロファイル生成モジュールは、出発位置、目的位置、ＡＶの現在車線及び提案された車線、及びデータベースから選択されたＡＶベースライン操縦ファイルに基づいて、横加速度が２Ｈｚ以下のＡＶの計画経路を生成する。ステアリング制御モジュールは、生成されたＡＶ計画経路に基づいて、ＡＶの移動方向を制御し、監視制御モジュールは、生成されたＡＶ計画経路及び内耳制約に基づいて、ＡＶの速度を制御する。【選択図】図１

Description

（関連出願）
本出願は、2019年6月10日出願の仮特許出願番号62/859,649号「Optimal Trajectory Shape Generation for the Minimization of Motion Sickness in Autonomous Vehicles」に関連しかつ優先権を主張するものであり、その開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。

（技術分野）
本発明の実施形態は、自律走行車に関し、特に、自律走行車内の乗客の乗り物酔いを最小にするために自律走行車の軌道を制御することに関する。

自律走行車（ＡＶ）、コネクテッド自律走行車（ＣＡＶ）、無人自動車、又はロボット自動車とも呼ばれる自動運転車は、周囲環境を感知し、人間の入力をほとんど又は全く必要とせずに安全に移動することができる車両である。自動運転車は、映像、レーダー、ライダー、ソナー、ＧＰＳ、オドメトリ、慣性計測ユニットなど、さまざまなセンサを組み合わせて周囲環境を認識する。制御システムは、感知情報を解釈して、適切なナビゲーション経路、並びに障害物、関連する標識などを特定する。

自律走行車は、乗客を乗り物酔いさせる可能性がある。乗り物酔いは、乗客に与えられる外部加速度の周波数、レベル、及び方向、並びに乗客が予測不能な自律走行車によって行われる操縦に関連する。乗客が予測不能なものの一部は、自律走行車がどのように操縦を行うか、すなわち自律走行車の加速度を生じる速度－時間グラフの形状及び自律走行車の姿勢（３次元方位）に基づく。自律走行車に採用される時間最適経路及び定曲率旋回は、人々が車両を操縦する方法ではない。必要なのは、「乗客快適性」最適経路であり、ここでは、乗り物酔いの確率の低減が最適化すべき特性である。

実施形態は、限定的ではなく例示的に示されており、以下の詳細な説明を参照して、以下の図面に関連して考えると、より完全に理解されるであろう。

本発明の実施形態の機能ブロック図である。 軌道を生成する場合に使用される幾何学的制約の描写である。

本発明の実施形態は、乗客が乗り物酔いをする可能性を低減するために、自律走行車の軌道及び速度を制御する。詳細には、本発明の実施形態は、自律走行車の位置（方向）、速度、加速度の各動的状態の間の遷移軌道を制御する。このような関連において、自律走行車の動的状態は、推進力及び制動力によって制御される車両の組み込まれた縦軸（後方から前方）の変化と、ステアリングによって制御される車両の横軸又は交差軸の変化によって構成される。車両の速度及び方向に関する複数の相互依存的な制御を使用して、所望の乗り物酔い低減軌道を作成する。制御は、限定されるものではないが、所望の移動方向の経路制約の中で、横方向及び前方向の運動を含む、動的状態のジャーク（すなわち、加速度の変化）成分を制御することを含む。

速度及び方向の制御は、自律走行車の乗客の内耳を潜在的に妨害する周波数範囲で、時間に依存する横加速度及びジャークを抑制する、監視制御モジュールによって管理される。図２を参照すると、これに関連して制御される自律走行車の操縦の例は、１つの道路から別の道路への方向転換、又は１つの車線２２０から別の車線への変更（車線変更又は１つの道路から別の道路への方向転換など）などの動作を含む。車線２２０は、本明細書では、自律走行車が走行可能な道路又は路面上の領域の幅として定義される。より広義には、操縦は、コース又は速度の何らかの変化であり、軌道は、これらの状態の一方又は両方の間で取られる経路である。実施形態は、主として自律走行車のためのものであるが、運転者支援型の自律走行車にも適用可能である。

図１を参照すると、本発明の実施形態１００は、以下の３つの供給源、すなわち、
デジタルマップを参照して、自律走行車に関する現在位置、もしくは選択又は選ばれた出発位置、及び選択された目的位置を提供する、ＧＰＳ及びマップモジュール１０１、
自律走行車のためのベースライン操縦プロファイル１０３のデータベースであって、自律走行車の方向、速度、及び加速度を制御するための基本的な情報、例えば、車線変更、左折又は右折、又は高速道路に入る又はそこから出るための情報を提供するデータベース、
例えば、自律走行車の現在の車線及び曲がり角環境、並びに現在の車線と異なる場合は自律走行車の提案する車線を特定する、前方センサ、及び随意的に側方センサなどのセンサからのセンサ入力１０４、
から入力を受け取る。

ＧＰＳ及びマップモジュール１０１への入力（例えば、乗客によって又は乗客のために提供される）は、自律走行車に関する出発位置又は現在位置（位置Ａ）及び目的位置（位置Ｂ）を含む。ＧＰＳ及びマップモジュール１０１は、自律走行車を位置Ａから位置Ｂに至らせるための計画を特定し、それを軌道プロファイル生成モジュール１０５に提供する。自律走行車が走行すると、センサ１０４、例えば、１又は２以上の単眼又は双眼カメラ、レーダー、ライダー、ＧＰＳ送受信機、又は各センサの組み合わせは、接近する曲がり角を感知するか、もしくは可能性のある、提案された、又は計画された経路又は車線２２０を特定し（ＧＰＳ及びマップモジュール１０１から受け取った入力に従って）、道路の状態、何らかの交通渋滞、又は他のタイプの道路混雑（歩行者、自転車、道路工事、障害物、標識）、及びＧＰＳ及びマップ入力に基づいて取り決められる近づきつつある曲がり角を含む、曲がり角及び車線２２０のパラメータを取り込み、この情報を軌道プロファイル生成モジュール１０５に送る。ベースライン操縦プロファイル１０３のデータベースからの操縦車線要件は、軌道プロファイル生成モジュール１０５でも利用される。軌道プロファイル生成モジュール１０５は、ベースライン操縦プロファイル１０３のデータベースから操縦プロファイルを選択し、操縦を達成するために、横加速度が小さな、例えば２Ｈｚ未満の経路を計算する。（乗客の生体構造を参照して、横方向ではなく垂直方向に主加速力を維持することは、２輪車のように協調的旋回を使用することによって、又は、乗客が垂直方向の感覚のみを経験するように、乗客を回転させて重力と遠心力の合計を調整する自律走行車において達成される）。

横加速度が小さな計算された経路は、ステアリング制御モジュール１０７及び監視制御モジュール１０６に送られる。監視制御モジュール１０６は、経路の幾何学的形状、内耳制約１０２、ＧＰＳ及びマップモジュール１０１から取得した制限速度、及び環境情報（例えば、道路状況、交通渋滞）を用いて、自律走行車の速度を選択する。この速度は、自律走行車用の軌道を生成する後続の反復において車線マージン２０５を設定するために軌道プロファイル生成モジュール１０５に送られると共に速度制御モジュール１０８にも送られる。内耳制約１０２は、内耳クロスオーバースペクトルの周波数レベルと、外乱履歴の減衰時間とからなる。

１つの実施形態によれば、推測的軌道生成モジュールは、全旋回角範囲に関する各車線境界の間に点を配置するためのテーブルセットを利用する。これらのデータは、システム設計の開発段階における自律走行車の設計に基づいて生成され、定義点の数が３から２に変化した場合の、曲がり角を通る進行の割合を含む。

実施形態２００によれば、図２に示された移動方向又は旋回方向（ＤＯＴ）２２５及び車線２２０のパラメータは、車線２２０と、計画領域が存在する場合には、計画領域２１０又は所望の経路の中心の軌道とを含む。計画領域２１０は、本明細書では、車線２２０の幅から車線マージン２０５（１つ又は左右の車線マージンが存在する場合その両方）の幅、及び自律走行車両の幅（車幅２１５）を差し引いたものとして定義される。車線マージン２０５は、本明細書では、車両の最も遠くの操縦と車線２２０の縁部との間の安全バリアとして定義される。車線マージン２０５は、車両速度及び車線２２０の関数である。計画領域２１０は、自律走行車が最も低い内耳障害で走行するための経路、又は少なくとも乗り物酔いを引き起こすと理解されている閾値以下に内耳障害を維持して走行するための経路を設計するために、軌道プロファイル生成モジュール１０５が使用できる経路範囲である。内耳障害は、経路設計と車両速度の関数である。狭い道路で自律走行車を操縦する場合、計画領域２１０はゼロに減少する可能性があり、横加速度を制御するために利用可能な唯一のパラメータは自律走行車の速度である。

なお、計画領域２１０は、車線２２０の幅が車線マージン２０５の２倍及び自律走行車幅２１５の幅未満に減少した場合、線にまで減少する可能性があることに留意されたい。さらに、計画領域２１０は、車線２２０の幅が車幅２１５未満に減少した場合、端点（ｅｎｄｐｏｉｎｔ）に到達する場合がある。車幅２１５は、本明細書では、車線２２０に対する速度ベクトルに直交する車両の断面として定義され、車両の構造及び姿勢のパラメータである。車幅２１５は、生成された軌道の中心が車線マージン２０５の内側縁部に接近する可能性のある限界距離を決定する。生成された軌道は、本明細書において、幾何学的計画制約を満たし、乗り物酔いの確率を低減又は最小化する経路として定義される。

二輪の自律走行車の車幅２１５は、球形でない限り、すなわち、傾いた二輪車は直立したものよりも幅が広いので、姿勢によって変化する可能性がある。車線２２０は、車幅２１５及び車線マージン２０５の要件とともに、計画領域２１０を計算するために使用される。車線マージン２０５は、本明細書において、車線２２０の１又は複数の縁部における車線２２０の一部として定義される。車線２２０から車線マージン２０５（車線２２０の片側又は両側の）を差し引いたものが、計画領域２１０を定める。計画領域２１０は、車線２２０の中心から自律走行車の軌道を変化させるための自由度の範囲を提供する。

車線マージン２０５の要件は、車両が車線２２０の縁部又は境界（左縁部又は右縁部、１つの車線境界又は両方の車線境界のいずれか）からとどまる必要がある距離である。実施形態によれば、車線マージン２０５の要件は、車線２２０の幅の大きさ及び車両速度によって変化する。より広い車線２２０は、より大きな車線マージン２０５の要件をもたらすか又は許容する。自律車両の速度が高いほど、車線マージン２０５の要件が大きくなるのは、是正措置が高速でより大きなマージンを必要とし、その結果、より高い加速度が生じるからである。

本発明の実施形態によれば、操縦には、車線変更、交差点での方向選択、１つの高速道路から別の高速道路への移行、及び高速道路から出る又は入ることを含む、目標を変更すること、及び曲線道路をたどることの２つの基本的にタイプがある。乗り物酔いは蓄積された症状なので、偶発的な曲がり角、カーブ、又は車線変更がある道路は、より積極的に対処することができる。引き起こされた加速度の履歴は、時間と共に消える。しかしながら、カーブの多い山道を走行する場合には、加速イベントを引き延ばすために速度を低下させる必要があり、さらに、横加速度の振幅（すなわち、自律走行車の最大横加速度）を小さくする必要もある。

これらの要因は、以下のような２段階の経路計画法を必要とする。低周波数の横加速度（２Ｈｚ以下）をもたらし、人間の感受性を超える横加速度の振幅を有する各横加速度イベントは、その重大度とともに記録される。時間加重の重大度の合計は、今後の操縦又は計画された軌道のための横加速度レベルを設定するのに使用される。

計画された軌道は、軌道に沿って走行する自律走行車の曲率を最小化しかつ滑らかにするように設計される。１つの実施形態は、自律走行車の既存の位置及び方向と、自律走行車の所望の位置及び方向との間に、Ｃ３特性又は以上の曲線を生成する。すなわち、少なくとも、曲率の１次導関数は、連続関数である。さらに、曲率の２次導関数は、絶対的な大きさが制限される場合もある。経路の曲率の１次導関数（Ｃ３位置曲線）の連続性は、乗客が感じている加速度の周波数成分を低下させ、乗り物酔いをさらに低下させる。横加速度の滑らかさは、少なくとも経路のＣ３（連続する３次導関数）曲線を使用することによって達成される。

連続する２次導関数（Ｃ２）の曲線を生成する方法の例は、以下の３次スプラインを使用することである。

しかしながら、経路は、ｘ及びｙの２つの曲線を使用して生成される。ｘ－ｙ車線に曲線をプロットすると、旋回経路が得られる。複合曲線の１次導関数によって方向が生成され、方向の１次導関数及び車両のホイールベースによって曲率が得られる。自律走行車の乗客は、滑らかな曲率、つまり少なくとも曲率の１次導関数が滑らかであることを望む。このことは、少なくとも連続する３次導関数をもつ経路、すなわちＣ３カーブを必要とする。これは、以下のような４次スプラインを使用して生成することができる。

又は、類似のカーブ、例えば、

及び、

である。

本発明の実施形態は、余正弦生成曲線などを含む、スプライン以外のＣ３曲線又はそれ以上の曲線を利用することができることをさらに理解されたい。

実施形態によれば、直線４次スプラインを使用することができるが、３点４次スプラインから始まり、４点４次スプラインを生成するためにわずかな修正を加えた２つのパラメトリック曲線の傾きを使用するプロセスは、全曲率及び乗客が経験する横加速度を低減する。

生成された２つの曲線は、Ｐｘ（ｔ）及びＰｙ（ｔ）であり、パラメータｔは経路に沿った距離である。係数の計算は、当業者が行うようになっている。方向（Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）及び曲率（ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）は、次のようにＰｘ（ｔ）及びＰｙ（ｔ）から導かれる。

及び

曲率の振幅は、横加速度を乗り物酔い感受性から決定される最大加速度以下に保つための速度の境界値を計算するために使用される。

本発明の実施形態によれば、速度の変化は、自律走行車の曲率の変化に関して上述したのと同様の方法で制御される。実施形態は、連続するジャーク（横加速度の一次導関数）関数をさらに生成する。

自律走行車がまさに一列に並んだ２つの車輪を有する場合、乗り物酔いのさらなる減少がある。人は横加速度よりも縦加速度の影響を受けに難い。二輪車は、バランスを維持するために協調的旋回を有する。これは、人間の感覚受容器にかかる横加速度を低減又は除去し、二輪車は乗り物酔いの感受性が同じレベルで、所望の経路に沿ってより速く移動することができる。上記では、車幅２１５及び車線マージン２０５の要件とともに車線２２０の幅が、計画領域２１０、すなわち車線２２０の中心から軌道を変化させるための自由度の範囲を計算するために使用されることを述べた。本発明の実施形態が二輪車に適用される場合、車幅２１５は４輪車よりも小さいため、計画領域２１０は大きくなる。

自律走行車が自律走行タクシーとして使用されている場合、乗り物酔いレベルは、１０パーセンタイルレベル（所定の環境で、一定の割合の乗客が乗り物酔いを起こすであろう）に設定する必要があり、個人用自律走行車として使用されている場合、乗り物酔いレベルは、例えば、ノブを回すこと又はタッチスクリーンによって、さもなければ快適性、スポーツ、又はレーストラックの運転モードの間で選択することによって、車両を使用する乗客のパーセンタイルレベルに設定することができる。乗客の乗り物酔いに対する耐性が高いほど、乗客は目的地までの経路をより速く移動することができる。

Claims (6)

1. 自律走行車又は運転者支援型自律走行車（ＡＶ）の移動方向及び速度を制御する装置であって
   前記ＡＶの出発位置及び目的位置を受け取るＧＰＳ及びマップモジュールと、
   前記ＡＶの現在の車線及び提案された車線を特定する複数のセンサと、
   前記ＡＶの移動方向及び速度のうちの１又は２以上の制御に使用されるＡＶベースライン操縦プロファイルを含むデータベースと、
   前記出発位置、前記目的位置、前記ＡＶの前記現在車線及び前記提案された車線、及び前記複数のＡＶベースライン操縦ファイルの中から選択された１つに基づいて、横加速度が２Ｈｚ以下の前記ＡＶの計画経路を生成する軌道プロファイル生成モジュールと、
   前記生成されたＡＶ計画経路に基づいて、前記ＡＶの移動方向を制御するステアリング制御モジュールと、
   前記生成されたＡＶ計画経路及び内耳制約に基づいて、前記ＡＶの速度を制御する監視制御モジュールと、を備えている、
   ことを特徴とする装置。
2. 横加速度が２Ｈｚ未満の前記ＡＶの計画経路を生成する前記軌道プロファイル生成モジュールは、Ｃ３特性又はそれ以上の曲線を生成する、
   請求項１に記載の装置。
3. 横加速度が２Ｈｚ未満の前記ＡＶの前記計画経路を生成する前記軌道プロファイル生成モジュールは、
   前記ＡＶの移動方向の車線を決定し；
   前記移動方向の前記車線、車線マージン、及び前記ＡＶの幅に基づいて、前記移動方向の計画領域を決定し；
   横加速度が２Ｈｚ以下でかつ前記計画領域の中にある前記ＡＶの前記計画経路を生成する；
   軌道プロファイル生成装置を備えている、
   請求項１に記載の装置。
4. 前記車線マージンは、前記ＡＶの速度及び前記移動方向の車線の関数である、
   請求項３に記載の装置。
5. 前記移動方向の前記計画領域を決定する前記軌道プロファイル生成モジュールは、前記車線の中心から前記ＡＶの軌道を変化させるための自由度の範囲を決定する前記軌道プロファイル生成モジュールを備えている、
   請求項３に記載の装置。
6. 横加速度が２Ｈｚ未満の前記ＡＶの前記計画経路を生成する前記軌道プロファイル生成モジュールは、
   ２Ｈｚ未満かつ振幅が人間の感受性レベル以上である横加速度の各々を追跡し；
   前記横加速度の各々に関する対応する重大度の尺度を追跡し；
   前記追跡された横加速度及び前記対応する重大度の尺度に基づいて、時間加重の重大度の合計を計算し；
   前記時間加重の重大度に基づいて、横加速度が２Ｈｚ未満の前記ＡＶの計画経路を生成する；
   前記軌道プロファイル生成モジュールを備えている、
   請求項１に記載の装置。

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