JP2023050710A - 制御方法及び制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】目標経路に対する追従性の高い車両用の制御方法及び制御システムを提供すること。【解決手段】制御システム１は、車両２の走路１００をなす路面に配設された磁気マーカ１０を利用して車両を走行させるためのシステムであり、磁気マーカ１０に対する横方向の偏差を特定する磁気センサアレイと、磁気マーカ１０に対する横方向の偏差を目標の軌跡に対する制御点の横方向の偏差に変換すると共に、制御点の横方向の偏差をゼロに近づけるように車両２の舵角を制御する制御ユニットと、を含み、制御点は、車両２の速度に所定の時間を乗じた距離にオフセット距離を加えた距離の分だけ、車両の前後方向において磁気センサアレイよりも前方の位置に設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、車両を走行させるための制御方法及び制御システムに関する。

従来、工場や物流倉庫などにおいて、自動搬送車が広く活用されている。自動搬送車を自動走行させるためのシステムとしては、床面に敷設された磁気テープを利用するシステムが知られている（例えば特許文献１参照。）。このシステムでは、磁気テープに対する車両の横方向の偏差が検出され、この偏差を抑えるように車両が操舵される。

特開２０１１－００８５９８号公報

しかしながら、前記従来のシステムでは、次のような問題がある。すなわち、磁気テープに追従する際の操舵の遅れが生じると車両が目標の軌跡から外れるおそれが生じ、このおそれを未然に回避するために車速を十分に抑える必要がある。

本発明は、前記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、目標経路に対する追従性を高めた車両用の制御方法及び制御システムを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、車両の走路をなす路面に配設された目印を利用し、車両に対して設定された所定の制御点が目標の軌跡に沿うよう、車両を走行させるための制御方法であって、
車両は、前記目印に対する横方向の偏差を特定する装置を備えており、
前記目印に対する横方向の偏差を、前記目標の軌跡に対する前記制御点の横方向の偏差に変換する処理と、
前記制御点の横方向の偏差をゼロに近づけるように車両が備える操舵輪の舵角を制御する処理と、を含み、
前記制御点は、車両の速度に所定の時間を乗じた距離に所定のオフセット距離を加えた距離の分だけ、車両の前後方向において前記装置よりも前方の位置に設定されている車両用の制御方法にある。

本発明の一態様は、車両の走路をなす路面に配設された目印を利用し、車両に対して設定された所定の制御点が目標の軌跡に沿うよう、車両を走行させるための制御システムであって、
前記目印に対する横方向の偏差を特定する装置と、
前記目印に対する横方向の偏差を、前記目標の軌跡に対する前記制御点の横方向の偏差に変換する回路と、
前記制御点の横方向の偏差をゼロに近づけるように車両の操舵輪の舵角を制御する回路と、を含み、
前記制御点は、車両の速度に所定の時間を乗じた距離にオフセット距離を加えた距離の分だけ、車両の前後方向において前記装置よりも前方の位置に設定される車両用の制御システムにある。

本発明に係る車両用の制御方法および制御システムは、路面に配設された目印を利用して目標の軌跡に沿って車両を走行させるための方法あるいはシステムである。本発明に係る制御方法及び制御システムは、目印に対する横方向の偏差に基づいて目標の軌跡に対する制御点の横方向の偏差を特定し、当該制御点の横方向の偏差をゼロに近づけるように操舵輪の舵角を制御する。

本発明に係る制御方法および制御システムは、制御点の設定位置に技術的な特徴のひとつを有している。この制御方法及び制御システムでは、車両の速度に所定の時間を乗じた距離にオフセット距離を加えた距離の分だけ、装置よりも前方の位置に制御点が設定される。本発明によれば、車両の速度が高くなるほど制御点を前方に位置させることができる。車両の速度が高くなったときに制御点を前方に位置させれば、制御遅れを抑制でき目標の軌跡から車両が外れるおそれを抑制できる。

ここで、車両の速度に所定の時間を乗じた距離は、車両の速度がゼロになれば、当然にゼロとなる。一方、この距離にオフセット距離を加えた距離は、車両の速度に関わらずオフセット距離以上の距離となる。本発明によれば、車両の速度に関わらず、装置よりもオフセット距離以上、前方の位置に制御点を設定できる。それ故、本発明によれば、車両の速度がごく低速になった場合であっても、舵角の制御に遅れが生じるおそれが少ない。

以上の通り、本発明の制御方法及び制御システムでは、車両の速度に所定の時間を乗じた距離にオフセット距離を加えた距離の分だけ、目印に対する横方向の偏差を特定するための装置よりも前方の位置に制御点が設定される。本発明の制御方法及び制御システムは、このように制御点を装置の前方に位置させることにより、目標の軌跡に対する追従性を高めた優れた特性の制御方法あるいは制御システムである。

走路を例示する説明図。 磁気マーカの説明図。 車両の説明図。 車両（先頭車両）のシステム構成図。 磁気センサアレイのシステム構成図。 磁気マーカの真上を通過する磁気センサによる進行方向の磁気計測値の時間変化を例示するグラフ。 磁気センサＣ１～Ｃ１５による車幅方向の磁気計測値の分布を例示するグラフ。 先頭車両と台車の模式図。 車両の各点の軌跡を例示する説明図。 目標の軌跡を例示する説明図。 前方注視距離Ｌｆと車速Ｖとの関係を示すグラフ。 直線路において車両（先頭車両）に設定される制御点の説明図。 曲線路において車両（先頭車両）に設定される制御点の説明図。 磁気マーカを検出した際の制御点ＣＴの横偏差ｅｙの説明図。 隣り合う磁気マーカの中間を走行中の制御点ＣＴの横偏差ｅｙの説明図。 オフセット距離Ｌｏをゼロとした場合の実証実験の結果を示すグラフ。 オフセット距離Ｌｏを設定した場合の実証実験の結果を示すグラフ。

本発明の実施の形態につき、以下の実施例を用いて具体的に説明する。
（実施例１）
本例は、走路１００に沿って車両２を走行させるための制御方法及び制御システム１に関する例である。この内容について、図１～図１７を用いて説明する。

車両２の走行環境は、例えば、工場や物流倉庫などの屋内環境や、工場などの敷地内の屋外環境など、である。車両２が走行する目標の軌跡としては、工場や物流倉庫などで設定された走路１００（例えば図１）をはみ出すことなく走行するための軌跡が設定される。

走路１００（図１）は、例えば、幅約２ｍの一方通行のオーバル形状の周回走路である。走路１００は、直線路１００Ｓと、曲線路１００Ｃと、を組み合わせて構成されている。本例の構成では、走路１００のほぼ中央に沿うように磁気マーカ１０が配列されている。磁気発生源としての磁気マーカ１０は、車両２が目標の軌跡に沿って走行するための目印の一例をなしている。隣り合う磁気マーカ１０の間隔は、例えば２ｍなどの一定の間隔となっている。なお、磁気マーカ１０の間隔が一定であることは必須の要件ではない。

磁気マーカ１０は、図２のごとく、直径１００ｍｍ、厚さ２ｍｍのシート状をなす永久磁石である。磁気マーカ１０は、走路の表面をなす路面に貼り付け可能である。個片状の磁気マーカ１０は、磁気テープと比べて床面等への貼付けが容易である。特に、直線状の磁気テープは、曲線状の貼付けが難しく皺などを生じ易い一方、個片状の磁気マーカ１０であれば、曲線路への敷設が容易である。磁気マーカ１０であれば、貼り換えが容易であるので、ルート変更など走路１００の形状変更への対応が容易である。

磁気マーカ１０をなす磁石は、磁性材料である酸化鉄の磁粉を基材である高分子材料中に分散させたフェライトラバーマグネットである。なお、本例のシート状の磁気マーカ１０に代えて、柱状の磁気マーカを採用しても良い。柱状の磁気マーカの場合、路面に穿設された孔に収容すると良い。

次に、本例の制御システム１を構成する車両２について説明する。車両２は、図３のごとく、駆動輪を備える先頭車両２１と、この先頭車両２１に牽引される四輪の台車２２と、により構成されている。先頭車両２１は、長さ２ｍ、幅１ｍであり、台車２２は、長さ２ｍ、幅１ｍである。なお、本例では、前輪軸２１１Ａと後輪軸２１２Ａとの軸間距離をＬｗとし、磁気センサアレイ３と後輪軸２１２Ａとの距離をＬｍとする。

先頭車両２１は、操舵輪である左右一対の前輪２１１と、駆動輪である後輪２１２と、を有している。後輪２１２は、回転軸の軸方向が固定された固定輪である。先頭車両２１の後部には、台車２２を牽引するための牽引フック２１９が設けられている。また、先頭車両２１の最後尾には、棒状の磁気センサアレイ３が車幅方向（横方向）に沿うように取り付けられている。

台車２２は、先頭車両２１あるいは先行する台車２２に連結するための連結バー２２０を有すると共に、後続する台車２２を連結するための連結フック２２９を備えている。台車２２は、左右一対の従動輪２２１を前部に、左右一対の固定輪２２２を後部に備えている。先頭車両２１には、複数台の台車２２を連結可能である。

先頭車両２１のシステム構成について図４を参照して説明する。先頭車両２１は、磁気検出を行う磁気センサアレイ３（装置の一例。）、車両２の走行を制御する制御ユニット４０、慣性航法を実現するためのＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）４２、後輪２１２を回転駆動するモータユニット４４、操舵輪である前輪２１１を操舵する操舵ユニット４６、などを含んで構成されている。

磁気センサアレイ３（図５）は、複数の磁気センサＣｎが一直線上に配列された棒状のユニットであり、先頭車両２１の車幅方向に沿うように取り付けられる（図３参照。）。特に、本例の構成では、後輪軸２１２Ａ（図３）よりも後ろ側に当たる先頭車両２１の最後尾に磁気センサアレイ３が取り付けられている。走路１００（図１）の床面を基準とした磁気センサアレイ３の取り付け高さは、１００ｍｍとなっている。

磁気センサアレイ３（図５）は、一直線上に配列された１５個の磁気センサＣｎ（ｎは１～１５の整数）と、図示しないＣＰＵ等を内蔵した検出処理回路３２と、を備えている。棒状の磁気センサアレイ３では、その長手方向に沿って１５個の磁気センサＣｎが５ｃｍ間隔で配列されている。車幅方向に沿うように磁気センサアレイ３が先頭車両２１に取り付けられたとき、１５個の磁気センサＣｎが車幅方向（横方向）に沿って一直線上に配列されることになる。本例の構成では、磁気センサＣ１が車両２（先頭車両２１）の左側に位置し、磁気センサＣ１５が車両２の右側に位置している。

磁気センサＣｎは、アモルファスワイヤなどの感磁体のインピーダンスが外部磁界に応じて敏感に変化するという公知のＭＩ効果（Magnet Impedance Effect）を利用して磁気を検出するセンサである。磁気センサＣｎは、直線状のアモルファスワイヤの長手方向に磁気的な感度を有している。

各磁気センサＣｎでは、直線状のアモルファスワイヤなどの２本の感磁体（図示略）が、互いに直交する２軸方向に沿って配置されている。各磁気センサＣｎは、感磁体の軸方向に沿って作用する磁気成分の検出が可能である。磁気センサアレイ３では、各磁気センサＣｎが備える２本の感磁体の軸方向が、それぞれ、各磁気センサＣｎの間で一致するように磁気センサＣｎが組み込まれている。磁気センサアレイ３は、各磁気センサＣｎが進行方向及び車幅方向の磁気成分を検出できるよう、先頭車両２１に取り付けられる。なお、進行方向とは、車両２（先頭車両２１）の前後方向に一致する方向である。

磁気センサアレイ３の検出処理回路３２（図５）は、磁気マーカ１０を検出するためのマーカ検出処理を実行する演算回路である。検出処理回路３２は、図示は省略するが、各種の演算を実行するＣＰＵ（central processing unit）のほか、ＲＯＭ（read only memory）やＲＡＭ（random access memory）などのメモリ素子等を利用して構成されている。

検出処理回路３２は、各磁気センサＣｎが出力するセンサ信号を３ｋＨｚの周波数で取得してマーカ検出処理を実行する。検出処理回路３２は、マーカ検出処理の検出結果を制御ユニット４０に入力する。詳しくは後述するが、このマーカ検出処理では、磁気マーカ１０の検出に加えて、目印の一例をなす磁気マーカ１０に対する相対位置の一例である横方向（車幅方向）の偏差が計測されて特定される。

ＩＭＵ４２（図４）は、慣性航法により先頭車両２１の相対位置や車両方位などを推定するユニットである。ＩＭＵ４２は、図示は省略するが、方位を計測する電子コンパスである２軸磁気センサ、加速度を計測する２軸加速度センサ、ｙａｗ軸回りの角速度を計測する２軸ジャイロセンサ等、を備えている。ここで、ｙａｗ軸は、鉛直方向の軸である。

ＩＭＵ４２は、計測加速度の二重積分により変位量を演算すると共に、計測角速度の積分により先頭車両２１の相対方位を演算する。ＩＭＵ４２は、この相対方位を基準方位（絶対方位）に加算することで、時々刻々の車両方位を推定する。なお、基準方位としては、例えば、所定の駐車位置に車両２が駐車されたときの絶対方位を利用できる。ＩＭＵ４２は、時々刻々の車両方位に沿って変位量を積算することにより、相対位置（変位位置）を推定する。なお、新たな磁気マーカ１０の検出に応じて車両位置（絶対位置）が特定される毎に、その車両位置によって基準位置が更新されると共に、相対位置がゼロリセットされる。

制御ユニット４０は、先頭車両２１の走行を制御するユニットである。制御ユニット４０は、操舵ユニット４６やモータユニット４４を介して前輪２１１の舵角や後輪２１２の回転角速度を制御する。制御ユニット４０は、各種の演算を実行するＣＰＵのほか、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ素子等を含めて構成された電子回路（図示略）を備えている。ＲＯＭの記憶領域には、磁気センサアレイ３と後輪軸２１２Ａとの間の前後方向の距離Ｌｍや、前輪軸２１１Ａと後輪軸２１２Ａとの軸間距離Ｌｗ、等の車両スペック情報が格納されている。

制御ユニット４０には、磁気センサアレイ３、操舵ユニット４６、モータユニット４４、に加えて、地図データベース４８、後輪２１２の回転に応じてパルスを出力する車輪速ユニット４４２が接続されている。制御ユニット４０は、車輪速ユニット４４２が出力するパルスを利用して車速を特定する。

地図データベース４８は、走路１００の形状を表すマップデータを記憶するデータベースである。マップデータには、走路１００に配設された磁気マーカ１０がひも付けられているほか、目標の軌跡を割り付け可能である。目標の軌跡は、車両２を通過させる経路に応じて適宜、設定されマップデータに割り付けられる。マップデータを参照すれば、走路１００の進行方向における各位置において、目標の軌跡を特定可能である。

なお、本例では、直線路１００Ｓおよび曲線路１００Ｃの両方について、車両２を通過させる経路として、磁気センサアレイ３の中央に位置する磁気センサＣ８が磁気マーカ１０の真上を通過する経路が設定されている。それ故、本例では、磁気マーカ１０を滑らかに結ぶ線が目標の軌跡として設定されている。なお、これに代えて、磁気マーカ１０に対して、例えば、右側にずれて車両２を走行させたい場合には、磁気マーカ１０を滑らかに結ぶ線に対して右側にずれている目標の軌跡を設定すれば良い。あるいは直線路１００Ｓでは、磁気マーカ１０の真上を通過させる一方、曲線路１００Ｃでは、磁気マーカ１０を滑らかに結ぶ線よりも大回りで車両２を走行させたい場合には、直線路１００Ｓと曲線路１００Ｃとで、磁気マーカ１０を滑らかに結ぶ線に対する目標の軌跡の位置的な関係を異ならせると良い。すなわち、直線路１００Ｓでは、磁気マーカ１０を滑らかに結ぶ線に一致する目標の軌跡を設定する一方、曲線路１００Ｃでは、磁気マーカ１０を滑らかに結ぶ線よりもカーブの外側に膨らむように目標の軌跡を設定すると良い。このように、磁気マーカ１０と目標の軌跡との関係は一義的なものではなく、車両２を走行させたい経路に応じて適宜、変更すると良い。

制御ユニット４０は、操舵ユニット４６やモータユニット４４に対し、制御目標値を入力する。操舵ユニット４６に対する制御目標値は、前輪２１１の舵角の制御目標である指示舵角である。モータユニット４４に対する制御目標値は、後輪２１２の回転角速度の制御目標である指示回転角速度である。

制御ユニット４０は、以下の各回路としての機能を備えている。
（１）制御点を設定する回路：前方注視距離の分だけ、磁気センサアレイ３よりも前方の位置に制御点を設定する。
（２）目標の軌跡を設定する回路：制御点が通過するべき目標の軌跡を演算により求め、設定する。なお、上記のごとく本例では、磁気マーカ１０を滑らかに結ぶ線が、目標の軌跡として設定され、マップデータに割り付けられている。
（３）車両位置を推定する回路：マーカ検出結果あるいはＩＭＵ４２が推定する相対位置等を利用して車両位置を推定する。
（４）制御点の横方向の偏差を特定する回路：磁気マーカ１０に対する横方向の偏差を、目標の軌跡に対する制御点の横方向の偏差に変換する。
（５）制御目標値を演算する回路：制御点の横方向の偏差に基づいて指示舵角などの制御目標値を演算する。

以下、本例の車両用の制御システム１における（ａ）マーカ検出処理、（ｂ）目標の軌跡の設定、（ｃ）制御方法、（ｄ）制御点の設定、（ｅ）制御点の横方向の偏差の特定、（ｆ）制御結果、について順番に説明する。

（ａ）マーカ検出処理
マーカ検出処理は、装置の一例をなす磁気センサアレイ３が実行する処理である。上記の通り、磁気センサアレイ３は、３ｋＨｚの周波数でマーカ検出処理を実行する。磁気センサＣｎは、車両２（先頭車両２１）の進行方向及び車幅方向の磁気成分を計測可能である。例えばこの磁気センサＣｎが、進行方向に移動して磁気マーカ１０の真上を通過するとき、進行方向の磁気計測値は、図６のごとく磁気マーカ１０の前後で正負が反転すると共に、磁気マーカ１０の真上の位置でゼロを交差するように時間的に変化する。車両２の走行中では、いずれかの磁気センサＣｎが検出する進行方向の磁気計測値について、その正負が反転するゼロクロスＺｃ１が生じたとき、磁気センサアレイ３が磁気マーカ１０の真上に位置すると判断できる。検出処理回路３２は、このように磁気センサアレイ３が磁気マーカ１０の真上に位置し進行方向の磁気計測値のゼロクロスＺｃ１が生じたとき、磁気マーカ１０を検出したと判断する。

また例えば、磁気センサＣｎと同じ仕様の磁気センサについて、磁気マーカ１０の真上を通過する車幅方向の直線に沿う移動を想定する。この場合、車幅方向の磁気計測値は、磁気マーカ１０を挟んだ両側で正負が反転すると共に、磁気マーカ１０の真上の位置でゼロを交差するように変化する。したがって、１５個の磁気センサＣｎを車幅方向に配列した磁気センサアレイ３では、磁気マーカ１０を介してどちらの側にあるかによって磁気センサＣｎが検出する車幅方向の磁気計測値の正負が異なってくる（図７）。

各磁気センサＣｎの車幅方向の磁気計測値を例示する図７の分布では、車幅方向の磁気計測値の正負が反転するゼロクロスＺｃ２が、磁気マーカ１０の真上に現れる。同図の分布中のゼロクロスＺｃ２の位置は、磁気マーカ１０の車幅方向の位置を表している。磁気マーカ１０の車幅方向の位置は、例えば、ゼロクロスＺｃ２を挟んで隣り合う２つの磁気センサＣｎの中間の位置として特定可能である。

検出処理回路３２は、磁気マーカ１０に対する車両２（先頭車両２１）の横方向（車幅方向）の偏差を計測する。本例では、磁気センサアレイ３の中央の磁気センサＣ８が、車両２（先頭車両２１）の中心軸上にある。例えば図７の場合、磁気マーカ１０に対応するゼロクロスＺｃ２の位置がＣ９とＣ１０との中間辺りのＣ９．５に相当する位置となっている。上記のように磁気センサＣ９とＣ１０の間隔は５ｃｍであるから、磁気マーカ１０に対する車両２（先頭車両２１）の横方向の偏差（相対位置）は（９．５－８）×５ｃｍ＝７．５ｃｍとなる。同図の例は、走路１００の中で車両２（先頭車両２１）が左寄りとなった場合の例である。なお、横方向の偏差の正負は、磁気マーカ１０に対して車両の対象点が左に寄った場合を正、右に寄った場合を負としている。

（ｂ）目標の軌跡の設定
目標の軌跡は、次の２条件が満たされるよう、車両２に設定された制御点を通過させる制御目標の軌跡である。第１の条件は、先頭車両２１のみならず、先頭車両２１に連結された全ての台車２２が、走路１００内を走行するという条件である。第２の条件は、磁気センサアレイ３が磁気マーカ１０上を通過し、目印の一例をなす磁気マーカ１０を検出できるという条件である。

ここで、車両２の各点が通過する軌跡の違いについて、図８及び図９を参照して説明する。図８は、先頭車両２１と台車２２とを含む車両２の各点の配置を説明する図である。図９は、先頭車両２１に台車２２が連結された車両２について、図８の各点が通過する軌跡を例示する図である。

図８の各点は、先頭車両２１の前輪軸２１１Ａの中央の点ＳＴ１、後輪軸２１２Ａの中央の点Ｂ１、先頭車両２１と台車２２との連結箇所に当たる点Ｃ１、及び台車２２の固定輪２２２の軸である車輪軸２２２Ａの中央の点Ｂ２、である。なお、図８では、理解が容易となるよう、車輪軸２１１Ａ、２１２Ａ、２２２Ａの中央に、それぞれ、仮想輪２１１Ｒ、２１２Ｒ、２２２Ｒを示してある。

例えば、直角に左折する曲がり角を車両２が通過する際の各点の軌跡は、図９に示すようになる。点Ｂ１及び点Ｃ１は、ほぼ同様の軌跡を通過する一方、点ＳＴ１は、大回りの軌跡を示し、点Ｂ２は、小回りの軌跡を示す。このように、直角の曲がり角を車両２が通過する際の軌跡は各点で異なってくる。

一方、目標の軌跡については、制御点の位置に関わらず一定であって良く、本例では、磁気マーカ１０を滑らかに結ぶ線に一致するように目標の軌跡を設定している。例えば、図１で示したオーバル形状の周回走路である走路１００を車両２が走行する際の目標の軌跡ＴＬは、図１０中の実線で示すようになる。例えば前輪軸２１１Ａの中央の点ＳＴ１が制御点である場合、直線路１００Ｓでは、目標の軌跡ＴＬに対して、同図中破線で示す点ＳＴ１の実際の軌跡がほぼ一致する。一方、曲線路１００Ｃでの点ＳＴ１の軌跡（破線）は、目標の軌跡ＴＬよりも外側を通過する大回りの軌跡となる。実線で示す目標の軌跡ＴＬに対する破線で示す点ＳＴ１の軌跡の偏差に応じて、車両２の舵角が制御されることになる。

本例の制御システム１は、目標の軌跡ＴＬに対する制御点の横方向の偏差を抑制するように操舵輪（前輪２１１）の舵角が制御されるシステムである。本例では、目標の軌跡ＴＬが、地図データベース４８に格納されたマップデータに割り付けられている。制御ユニット４０は、地図データベース４８から読み出したマップデータを参照し、目標の軌跡ＴＬを読み出す。そのときの車両位置や車両方位が分かれば、目標の軌跡ＴＬとの横方向の偏差や、目標の軌跡ＴＬの方位（絶対方位）を特定可能となる。

なお、制御ユニット４０による演算により目標の軌跡ＴＬを随時、決定して設定することも良い。例えば、車両２の速度や走路１００の曲率に応じて、磁気マーカ１０に対する磁気センサアレイ３の中央の位置の偏差を変更した方が良い場合がある。このような場合、制御ユニット４０は、車両２の速度や走路１００の曲率に応じて、随時、目標の軌跡ＴＬを演算により決定すると良い。その際、演算により決定された目標の軌跡ＴＬを随時、マップデータに割り付けると良い。さらに、内輪差など車両の仕様や、車速に応じて、複数種類の目標の軌跡ＴＬを予め用意しておき、その複数種類の目標の軌跡ＴＬを、マップデータに割り付けておくことも良い。制御ユニット４０は、車両の仕様や車速に応じて、いずれかの目標の軌跡ＴＬを選択的に読み出すことができる。

（ｃ）制御方法
本例の制御システム１による制御方法は、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせた２自由度制御による制御方法である。フィードフォワード制御は、目標の軌跡ＴＬの曲率に応じて指示舵角δを算出する制御である。フィードバック制御は、目標の軌跡ＴＬに対する制御点ＣＴの横方向の偏差（横偏差）に基づいて指示舵角δを算出する制御である。指示舵角δは、次の制御式により求められる。

（数１）
指示舵角δ＝フィードバック項δｆｂ＋フィードフォワード項δｆｆ
＝フィードバックゲインＫｙ×横偏差ｅｙ＋フィードフォワード項δｆｆ

数式１において、フィードバックゲインＫｙは、直線路１００Ｓを走行中の直進安定性と、横方向の偏差の収束性と、を両立できるように決定される。フィードフォワード項δｆｆは、曲線路１００Ｃでの制御遅れを補償するために、曲率に応じた舵角を与えるための項である。フィードフォワード項δｆｆには、横断勾配が生じたときに車両２の傾きをＩＭＵ４２により検出し、重力の横方向成分とつり合う横力を発生させることにより横断勾配を補償する舵角を加算できる。

（ｄ）制御点の設定
本例の制御システム１では、車両２（先頭車両２１）の磁気センサアレイ３の位置ではなく、磁気センサアレイ３よりも前方の位置に制御点ＣＴを設定することで、車両２の応答遅れを補償している。さらに、本例の構成では、制御点ＣＴの設定位置の工夫により、直線路１００Ｓでの安定性と、曲線路１００Ｃでの追従性と、を両立させている。

本例では、車両２（先頭車両２１）の前後方向における磁気センサアレイ（装置の一例）３の位置を基準として、制御点ＣＴに至るまでの距離である前方注視距離Ｌｆを、次式のように定義している。図１１は、車速Ｖに対する前方注視距離Ｌｆのグラフである。同図では、横軸に車速Ｖが規定され、縦軸に前方注視距離Ｌｆが規定されている。
（数２）
前方注視距離Ｌｆ＝車両速度Ｖ×前方注視時間ｔｆ＋オフセット距離Ｌｏ

前方注視距離Ｌｆの演算式のうちの車両速度Ｖ×前方注視時間ｔｆの項は、速度が高くなるほど制御点ＣＴをより前方に設定することで、目標の軌跡ＴＬに対する追従性を高めるための項である。前方注視時間ｔｆは、何秒先の前方を注視して舵角を制御するか、という制御上の意味を有する。前方注視時間ｔｆは、図１１のグラフで例示する直線の傾きとして現れている。

オフセット距離Ｌｏは、車両２の速度が低いときにも、前方注視距離Ｌｆを適切に確保するための項である。オフセット距離Ｌｏを規定することで、車両２が低速のときも、制御点ＣＴをある程度、前方の位置に設定でき、追従性や応答性の確保が可能になっている。特に本例では、次に説明する通り、直線走行時と曲線走行時とでオフセット距離Ｌｏの設定を変更することで、直線走行時での車両２の直進安定性と、曲線走行時の目標の軌跡ＴＬに対する追従性と、を両立している。オフセット距離Ｌｏは、図１１のグラフで例示する直線の切片として現れている。

直線走行時のオフセット距離Ｌｏの設定方法について、図１２を参照して説明する。目標の軌跡ＴＬが真っすぐである場合の直線走行時では、直進安定性を向上するため、前輪軸２１１Ａよりも制御点ＣＴが前方に位置するように、前輪軸２１１Ａと磁気センサアレイ３との間の距離（Ｌｗ＋Ｌｍ）以上のオフセット距離Ｌｏが設定される。なお、同図では、左右一対の後輪２１２を代表する仮想輪２１２Ｒを図示し、左右一対の前輪２１１を代表する仮想輪２１１Ｒを図示している。目標の軌跡ＴＬに対する制御点ＣＴの横方向の偏差は、寸法ｅｙで示している。

車両２が低速で走行する際の前輪２１１の横すべり角が十分に小さい状況では、前輪操舵の車両２は、前輪２１１が向いている方向に進行する。仮に制御点ＣＴが前輪軸２１１Ａよりも後方に位置する場合、前輪軸２１１Ａの中心位置が目標の軌跡ＴＬを越えた後で操舵が開始されることになり、目標の軌跡ＴＬに対して前輪２１１が常に行き過ぎることになり、蛇行が生じる。前輪軸２１１Ａの位置あるいは前輪軸２１１Ａよりも前方の位置に、制御点ＣＴが位置するように前方注視距離Ｌｆを設定すれば、目標の軌跡ＴＬに対して前輪２１１が行き過ぎる前に操舵を開始でき、目標の軌跡ＴＬに対して車両２が行き過ぎないような制御が可能になる。

次に、曲線走行時のオフセット距離Ｌｏの設定方法について、図１３を参照して説明する。この設定方法は、車両２が低速で走行しており、各輪に横すべり角が発生しないという前提に基づく方法である。各輪に横すべり角が発生しなければ、前輪２１１の舵角に応じて車両２の向き（車両方位）が一意に定まる。

図１３中の軌跡３Ｃは、磁気センサアレイ３の中央（磁気センサＣ８の位置）が通過する軌跡である半径Ｒｍの円弧である。軌跡２１２Ｃは、仮想輪２１２Ｒが通過する軌跡である半径Ｒｏの円弧である。なお、同図中では、仮想輪２１１Ｒが通過する軌跡を半径Ｒｆの円弧により表している。

曲線走行時では、目標の軌跡ＴＬへの追従性を重視してオフセット距離Ｌｏを定めている。まず、本例の構成では、磁気マーカ１０を通る経路を、目標の軌跡ＴＬとして定めている。これにより、磁気センサアレイ３の中央を通過させるべき目標の軌跡ＴＬである軌跡３Ｃの半径Ｒｍを決定できる。このとき、オフセット距離Ｌｏは、軌跡３Ｃをなす円弧の半径Ｒｍに応じて変化する。

前輪２１１に対応する仮想輪２１１Ｒが通過する軌跡の半径Ｒｆは、次の数式３、数式４により求めることができる。

車両２が十分に低速で走行しているときには、上記の数式１の制御式は、次の数式５のようになる。

数式５を展開すれば、制御点ＣＴの偏差ｅｙに関する次式を導出できる。

制御点ＣＴの横偏差ｅｙを利用すれば、前方注視距離Ｌｆを次式のように表すことができる。

オフセット距離Ｌｏは、直線走行時および曲線走行時において、以上のように決定できる。制御点ＣＴは、車両２の前後方向において、オフセット距離Ｌｏを含む前方注視距離Ｌｆの分だけ磁気センサアレイ３の前方にずらした位置に設定される。なお、本例の制御システム１では、曲線走行時のオフセット距離Ｌｏに範囲が設けられている。範囲の下限は、Ｌｍの２倍の距離であり、上限は、直線走行時に設定されるオフセット距離である。オフセット距離Ｌｏの下限であるＬｍの２倍の距離は、上記の数式７において、ｅｙ＝ゼロとしたときのオフセット距離Ｌｏである。

（ｅ）制御点の横方向の偏差の特定
制御ユニット４０が、目標の軌跡ＴＬに対する制御点ＣＴの横方向の偏差を特定する方法は、磁気マーカ１０が検出された場合と、隣り合う磁気マーカ１０の中間に車両２が位置する場合と、で相違している。それぞれの場合について、制御点ＣＴの横方向の偏差ｅｙを特定する処理の内容について説明する。

磁気マーカ１０が検出された場合、制御ユニット４０は、図１４のごとく、マーカ検出処理により計測された横方向の偏差ｅｍを取得する。この横方向の偏差ｅｍは、磁気マーカ１０に対する相対位置の一例である。また、制御ユニット４０は、ＩＭＵ４２が推定する車両方位（絶対方位）及び相対位置を取得する。制御ユニット４０は、基準位置を基準として相対位置の分だけ車幅方向にずらした位置を、慣性航法により推定される車両位置として特定する。なお、基準位置は、１回前の磁気マーカ１０の検出時に特定された車両位置であり、ＩＭＵ４２が推定する相対位置の起点となる位置である。

制御ユニット４０は、地図データベース４８から読み出したマップデータ上で、慣性航法により推定された車両位置に対して最も近くに位置する磁気マーカ１０（直近の磁気マーカ１０）を特定する。そして、制御ユニット４０は、直近の磁気マーカ１０の配設位置を基準として、磁気マーカ１０に対する横方向の偏差ｅｍの分だけずらした位置を、車両位置として特定する。なお、車両位置は、磁気センサアレイ３の中央の磁気センサＣ８の位置である。新たに特定された車両位置は、ＩＭＵ４２が相対位置を推定する際の新たな基準位置となり、ＩＭＵ４２が積算する相対位置がゼロリセットされる。

制御ユニット４０は、地図データベース４８から読み出したマップデータに基づき目標の軌跡ＴＬの位置（絶対位置）や方位（絶対方位）を特定する。そして制御ユニット４０は、ＩＭＵ４２が推定する車両方位（絶対方位）につき、目標の軌跡ＴＬの方位（絶対方位）からのずれ角θを特定する（図１４）。制御ユニット４０は、このずれ角θを利用し、磁気センサアレイ３よりも前方注視距離Ｌｆの分、前方に位置する制御点ＣＴについて、目標の軌跡ＴＬに対する横偏差ｅｙを求める。制御点ＣＴの横偏差ｅｙは、図１４中のｅ１とｅ２との合算となり、ずれ角θを含む次式により求められる。
（数８）
ｅｙ＝ｅ１＋ｅ２
＝Ｌｆ×ｓｉｎθ＋ｅｍ×ｃｏｓθ

一方、隣り合う磁気マーカ１０の中間に車両２が位置する場合には、制御ユニット４０は、ＩＭＵ４２が推定する相対位置の分だけ基準位置からずらした位置を車両位置として特定（推定）する。なお、この車両位置は、磁気センサアレイ３の中央の位置である。基準位置は、直前の磁気マーカ１０の検出時に特定された車両位置である。制御ユニット４０は、地図データベース４８から読み出したマップデータを参照し、特定された車両位置について、目標の軌跡ＴＬに対する横方向の偏差を特定する。このとき、図１５中のｅ３が横方向の偏差として特定される。

横方向の偏差ｅ３を特定するに当たって、制御ユニット４０は、まず、車両位置に対応する目標の軌跡ＴＬの位置（絶対位置）及び方位（絶対方位）を特定する。そして、制御ユニット４０は、磁気マーカ１０が検出された場合と同様、ＩＭＵ４２が推定する車両方位（絶対方位）について、目標の軌跡ＴＬの方位からのずれ角θを特定する（図１５）。磁気センサアレイ３に対して前方注視距離Ｌｆの分、前方に位置する制御点ＣＴにおける横偏差ｅｙは、図１５中のｅ１とｅ３との合算となる。制御点ＣＴにおける横方向の偏差ｅｙは、ずれ角θを含む次式により算出できる。
（数９）
ｅｙ＝ｅ１＋ｅ３
＝Ｌｆ×ｓｉｎθ＋ｅ３

（ｆ）制御結果
以上のような構成の本例の制御システム１による車両２の制御結果について、図１６及び図１７を参照して説明する。図１６及び図１７は、磁気センサアレイ３から制御点ＣＴまでの距離である前方注視距離Ｌｆが、車両２の直進安定性に与える影響を調べた実証実験の結果を示している。図１６は、上記の数式２による前方注視距離Ｌｆの算出式において、オフセット距離Ｌｏをゼロに設定したときの結果である。図１７は、上述の（ｄ）制御点の設定の項目において説明したようにオフセット距離Ｌｏを設定したときの結果である。これらの図の座標軸は共通である。横軸は、時間あるいは距離を示し、縦軸は、車両２の横偏差ｅｙを示している。車両２の横偏差ｅｙは、磁気センサアレイ３の中央の目標の軌跡ＴＬに対する横方向の偏差である。

実証実験の対象の走路は直線路１００Ｓ（図１参照。）である。時点Ｍにて磁気マーカ１０を通過した際、マーカ検出処理により特定された磁気マーカ１０に対する横方向の偏差ｅｍ（図１４参照。）に基づき、目標の軌跡ＴＬに対する制御点ＣＴの横偏差ｅｙが特定される。時点Ｍにおいて、制御点ＣＴの横偏差ｅｙ＝ｅｙ１が顕在化し、横偏差ｅｙを抑制するための制御が開始されている。なお、車両２の速度は、時速７．０ｋｍの一定速である。

オフセット距離Ｌｏがゼロである図１６の場合、制御点ＣＴの横偏差ｅｙが振動するハンチング状態となっている。同図の場合、横偏差ｅｙが収束せず、発振により次第に拡大する傾向が見受けられる。一方、オフセット距離Ｌｏが適切に設定された図１７の場合には、時点Ｍにおける制御点ＣＴの横偏差ｅｙ＝ｅｙ１が早期に収束している。同図の場合、負側の横偏差ｅｙ１が発生した後、横偏差ｅｙが正側にオーバーシュートすることなく、そのままゼロ値に収束している。

図１７の場合、前輪軸２１１Ａと磁気センサアレイ３との間の距離（Ｌｍ＋Ｌｗ）以上のオフセット距離Ｌｏが設定され、磁気センサアレイ３から制御点ＣＴまでの前方注視距離Ｌｆが長く設定されている。図１７の場合には、このように前方注視距離Ｌｆを設定することで、車両２の直進安定性が向上している。このように、制御点ＣＴまでの前方注視距離Ｌｆを長く設定することは、直進時の直進安定性の向上に効果的である。

以上の通り、本例の制御方法及び制御システム１では、磁気マーカ１０を検出する磁気センサアレイ３よりも前方の位置に制御点を設定し、目標の軌跡に対する制御点の横偏差を抑制するように車両２を制御している。このような制御によれば、曲線路における追従性を損なうことなく、直線路における直進安定性を向上できる。

本例の構成では、磁気センサアレイ３が計測する横方向の偏差ではなく、磁気センサアレイ３よりも前方の制御点における横偏差を制御対象とすることで、車両２の応答遅れを補償することが可能になっている。特に本例では、磁気センサアレイ３と制御点との間の距離である前方注視距離Ｌｆの設定により、直線路での走行安定性と、曲線路での追従性と、を高い次元で両立させている。

前方注視距離Ｌｆは、前出の数式２の通り、車速に比例する距離と、定数であるオフセット距離Ｌｏと、を合算した距離である。本例では、直線路と曲線路とで、オフセット距離の設定を切り替えている。直線路では、前輪軸２１１Ａと磁気センサアレイ３との間の距離（Ｌｍ＋Ｌｗ）以上のオフセット距離が設定される。一方、曲線路では、後輪軸２１２Ａと磁気センサアレイ３との間の距離の２倍以上であって、直線路でのオフセット距離以下であるオフセット距離Ｌｏが設定される。

なお、本例は、磁気テープに代えて走路１００の床面に貼付された磁気マーカ１０を、車両２の走行制御に利用する例である。工場や施設などでよく利用される磁気テープは、敷設に職人的な技術を要する。特に、曲線に沿って敷設することは特に難しく、皺なく貼り付けることは困難である。一方、個片状の磁気マーカであれば、曲線への対応が容易である。特に内輪差が大きい本例の車両２では、曲線状の走路において磁気テープの敷設位置を定めることが難しく、何度も貼り替えたりといった試行錯誤を要していたという実情がある。磁気マーカ１０であれば、貼り替えが容易であり、走路形状の変更等に容易に対応できる。

以上、実施例のごとく本発明の具体例を詳細に説明したが、これらの具体例は、特許請求の範囲に包含される技術の一例を開示しているにすぎない。言うまでもなく、具体例の構成や数値等によって、特許請求の範囲が限定的に解釈されるべきではない。特許請求の範囲は、公知技術や当業者の知識等を利用して前記具体例を多様に変形、変更あるいは適宜組み合わせた技術を包含している。

１ 制御システム
１０ 磁気マーカ（目印）
１００ 走路
１００Ｓ 直線路
１００Ｃ 曲線路
２ 車両
２１ 先頭車両
２１１ 前輪（操舵輪）
２１１Ａ 前輪軸
２１２ 後輪
２１２Ａ 後輪軸
２２ 台車
３ 磁気センサアレイ（装置）
４０ 制御ユニット（回路）
４２ ＩＭＵ
４４ モータユニット
４６ 操舵ユニット
４８ 地図データベース
Ｃｎ 磁気センサ
ＣＴ 制御点
ＴＬ 目標の軌跡

Claims (8)

1. 車両の走路をなす路面に配設された目印を利用し、車両に対して設定された所定の制御点が目標の軌跡に沿うよう、車両を走行させるための制御方法であって、
   車両は、前記目印に対する横方向の偏差を特定する装置を備えており、
   前記目印に対する横方向の偏差を、前記目標の軌跡に対する前記制御点の横方向の偏差に変換する処理と、
   前記制御点の横方向の偏差をゼロに近づけるように車両が備える操舵輪の舵角を制御する処理と、を含み、
   前記制御点は、車両の速度に所定の時間を乗じた距離に所定のオフセット距離を加えた距離の分だけ、車両の前後方向において前記装置よりも前方の位置に設定されている車両用の制御方法。
2. 請求項１において、車両は、前記操舵輪である前輪と、固定輪である後輪と、を有すると共に、前記装置が後輪よりも後ろ側に配置されている車両であり、
   前記目標の軌跡が直線の場合の直線走行時のオフセット距離は、前記装置と前記前輪との間の前記前後方向における距離以上の距離である一方、
   前記目標の軌跡が曲線の場合の曲線走行時のオフセット距離は、前記装置と前記後輪との間の前記前後方向における距離の２倍以上の距離である車両用の制御方法。
3. 請求項２において、前記曲線走行時のオフセット距離は、前記直線走行時のオフセット距離が上限値である車両用の制御方法。
4. 請求項１～３のいずれか１項において、車両の向きである車両方位を推定する処理を含み、前記制御点の横方向の偏差に変換する処理は、車両方位を利用し、前記目印に対する横方向の偏差を、前記制御点の横方向の偏差に変換する処理である車両用の制御方法。
5. 請求項１～４のいずれか１項において、前記舵角の制御目標である指示舵角は、前記目標の軌跡の曲率を反映するフィードフォワード項と、前記制御点の横方向の偏差を反映するフィードバック項と、を含む制御式により演算される車両用の制御方法。
6. 請求項１～５のいずれか１項において、前記目印は、磁気発生源である磁気マーカであって、前記装置は、複数の磁気センサが車幅方向に配列された装置である車両用の制御方法。
7. 車両の走路をなす路面に配設された目印を利用し、車両に対して設定された所定の制御点が目標の軌跡に沿うよう、車両を走行させるための制御システムであって、
   前記目印に対する横方向の偏差を特定する装置と、
   前記目印に対する横方向の偏差を、前記目標の軌跡に対する前記制御点の横方向の偏差に変換する回路と、
   前記制御点の横方向の偏差をゼロに近づけるように車両の操舵輪の舵角を制御する回路と、を含み、
   前記制御点は、車両の速度に所定の時間を乗じた距離にオフセット距離を加えた距離の分だけ、車両の前後方向において前記装置よりも前方の位置に設定される車両用の制御システム。
8. 請求項７において、前記目印は、磁気発生源である磁気マーカであって、前記装置は、複数の磁気センサが車幅方向に配列された装置である車両用の制御システム。

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