JP2023082578A - 自動転舵システム - Google Patents

Abstract

【課題】マーカを辿って自動運転する際の誤差を抑制する。
【解決手段】マーカ３１０を辿って車両２００が走行させる自動転舵システム１００であって、マーカ３１０上を通過した際の車幅方向におけるマーカ３１０の位置を検知するマーカ検知装置１１０と、転舵輪２１０の転舵を制御する転舵制御装置１２０とを、備え、転舵制御装置１２０は、マーカ検知装置１１０から取得した信号に基づき車幅方向におけるマーカ３１０の位置を示す幅位置を特定する幅位置特定部１２１と、マーカ３１０の位置を示すマーカ実位置を取得するマーカ実位置取得部１２２と、幅位置特定部１２１が幅位置を特定するまでに車両２００が走行した移動量を算出する移動量算出部１２３と、マーカ実位置、幅位置、および移動量に基づき車両２００の位置を示す車両位置を算出する車両位置算出部１２４と、を備える自動転舵システム１００。
【選択図】図４

Description

本発明は、車線に並んで配置されるマーカを辿って車両が走行するように転舵輪を自動的に転舵する自動転舵システムに関する。

従来、道路上に所定の間隔で線状に並んで埋設された磁気マーカを車体の床下に装備された磁気センサにより検出することで、自車の位置を計測しつつ、任意の経路を走行可能な自動運転システムが存在している。このような自動運転システムは、隣り合う距離の離れた磁気マーカの間では車体横滑り角、ヨーレートを算出して慣性航法に基づき走行する場合がある（例えば特許文献１参照）。

特開２０２０－９８５６６号公報

ところが磁気マーカは、マーカの周縁部から中心に向かって円錐台状に磁力が強くなるため、磁力の強い部分と磁力がなくなる部分を磁気センサで検出することにより磁気マーカの位置を特定する。したがって、磁気マーカの中心位置の特定に遅れが発生し、磁気マーカ列に追従して走行する車両の位置精度に影響が出る。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、マーカ列への追従精度を向上させることができる自動転舵システムの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の１つである自動転舵システムは、車線に並んで配置される磁石を有するマーカを辿って車両が走行するように転舵輪を自動的に転舵する自動転舵システムであって、前記車両が前記マーカ上を通過した際の車幅方向における前記マーカの位置を検知するマーカ検知装置と、転舵輪の転舵を制御する転舵制御装置とを、備え、前記転舵制御装置は、前記マーカ検知装置から取得した信号に基づき車幅方向における前記マーカの位置を示す幅位置を特定する幅位置特定部と、マーカの位置を示すマーカ実位置を取得するマーカ実位置取得部と、前記幅位置特定部が幅位置を特定するまでに車両が走行した移動量を算出する移動量算出部と、前記マーカ実位置、前記幅位置、および前記移動量に基づき車両の位置を示す車両位置を算出する車両位置算出部と、を備える。

本発明によれば、マーカの実位置と検出された位置との誤差が減少し、マーカ列への追従精度を向上させることができる。また、誤差の減少により、高い精度で次のマーカまで車両を慣性航行により正確に走行させることができるため、配置するマーカの間隔を広げることが可能となる。

自動転舵システムを搭載した車両を示す上面図である。 車両が走行する道路を示す上面図である。 マーカ検知装置によるマーカの検知状態を示す図である。 転舵制御装置の機能構成を示すブロック図である。 横滑り角を算出する場合のホイールベース、車両基準点などを示す図である。 情報の流れを示すシステム図である。 誤差の発生状態を示す図である。 バス停への正着状態を示す図である。 曲率半径の短いカーブを車両が曲がる様子を示す図である。

以下、本発明に係る自動転舵システムの実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を説明するために一例を挙示するものであり、本発明を限定する主旨ではない。例えば、以下の実施の形態において示される形状、構造、材料、構成要素、相対的位置関係、接続状態、数値、数式、方法における各段階の内容、各段階の順序などは、一例であり、以下に記載されていない内容を含む場合がある。また、平行、直交などの幾何学的な表現を用いる場合があるが、これらの表現は、数学的な厳密さを示すものではなく、実質的に許容される誤差、ずれなどが含まれる。また、同時、同一などの表現も、実質的に許容される範囲を含んでいる。

また、図面は、本発明を説明するために適宜強調、省略、または比率の調整を行った模式的な図となっており、実際の形状、位置関係、および比率とは異なる。

また、以下では複数の発明を一つの実施の形態として包括的に説明する場合がある。また、以下に記載する内容の一部は、本発明に関する任意の構成要素として説明している。

図１は、自動転舵システムを搭載した車両を示す上面図である。図２は、車両が走行する道路を示す上面図である。自動転舵システム１００は、道路３００上に所定の間隔で線状に並んで配置される磁石を有するマーカ３１０を辿って車両２００が走行するように転舵輪２１０を自動的に転舵するシステムであって、マーカ検知装置１１０と、転舵制御装置１２０と、を備えている。本実施形態の場合、自動転舵システム１００は、識別情報取得装置１４０（図４参照）を備えている。

道路３００は、特に限定されるものではないが、図１に示すように、バスなどの大型の車両２００の他、乗用車などの比較的小型の車両２００などが走行する同一進行方向の二つの第一車線３０１、第二車線３０２を有している。つまり図２は、片側二車線（計４車線）のうち、一方の進行方向の第一車線３０１、第二車線３０２を示している。

道路３００は、右側通行用、左側通行用のいずれであってもよいが、本実施の形態では左側通行用である場合を例示している。このため、第一車線３０１は、走行車線であり、第二車線３０２は追い越し車線である。図１では、マーカ３１０が第一車線３０１のみに敷設されている場合を図示しているが、第二車線３０２にもマーカ３１０が敷設されていてもよい。またマーカ３１０は片側一車線の各車線のそれぞれに敷設されていてもよい。

マーカ３１０は、磁石を備えたいわゆる磁気マーカである。マーカ３１０は、例えば円柱状あるいは円板状に形成されている。道路３００に敷設された複数のマーカ３１０の全部、または一部は、ＲＦＩＤ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）タグなどの非接触でＩＤを認識させることのできるタグを備えている。タグには、マーカ３１０の固有の識別情報や、当該マーカ３１０の敷設箇所の位置座標などが記憶されている。

マーカ検知装置１１０は、車両２００がマーカ３１０上を通過した際の車幅方向（図１中Ｙ軸方向）におけるマーカ３１０の位置を磁力に基づき検知する装置である。なお車両２００の向きによって車幅方向はＹ軸に沿わない場合もある。本実施形態の場合、マーカ検知装置１１０は、図３に示すように、マーカ３１０から出力される磁界３１１を個々に検出できるホール素子などの磁気センサ１１１を車幅方向に並べて備えるセンサアレイであり、車両２００の底面に取り付けられている。マーカ検知装置１１０は、マーカ検知装置１１０の装置中心１１９と、車両２００の中央位置２０９とが略一致するように配置されている。

マーカ検知装置１１０は、道路３００に設置されたマーカ３１０の上を通過することによりマーカ３１０から生じる磁界３１１の増減を個々の磁気センサ１１１が検知する。そして磁界３１１を検知した磁気センサ１１１の位置、検知した磁界の強度に基づき車幅方向におけるマーカ検知装置１１０の装置中心１１９からのマーカ３１０のマーカ中心３１９までの距離を示す幅位置を検知する。具体的に例えば、マーカ３１０から出力される磁気を磁気センサ１１１が検出可能な範囲は、マーカ中心３１９から検知半径３１８（例えば２０ｃｍ）となっている。これは、マーカ３１０の磁力、マーカ検知装置１１０が取り付けられる高さなどにより任意に設定される。マーカ検知装置１１０は、磁界３１１を検知し始めてから磁界３１１の最大値を検知し、磁界３１１を検知しなくなるまでの信号を転舵制御装置１２０に出力する。

本実施の形態の場合、自動転舵システム１００は、車両２００の前後方向（図１中Ｘ軸方向）に平行に並んだ二個のマーカ検知装置１１０を備えている。二個のマーカ３１０を同時に、またはほぼ同時に異なるマーカ３１０の幅位置をそれぞれ検知することで、マーカ３１０の並び方向に対する車両２００の角度（ヨー角）を検知することができる。なお、二個のマーカ検知装置１１０の距離は、マーカ３１０の設置ピッチと等しいことが好ましい。

識別情報取得装置１４０は、マーカ検知装置１１０がマーカ３１０を検出する際において、当該マーカ３１０が備えるタグと無線通信を行い、タグからマーカ３１０の固有の識別情報や、当該マーカ３１０の敷設箇所の位置座標などを非接触で取得することができる装置である。

図４は、転舵制御装置の機能構成を示すブロック図である。転舵制御装置１２０は、転舵輪２１０の転舵を制御するプロセッサを備えた装置であり、プロセッサにプログラムを実行させることにより実現される処理部として、幅位置特定部１２１と、マーカ実位置取得部１２２と、移動量算出部１２３と、車両位置算出部１２４と、を備える。本実施形態の場合、転舵制御装置１２０は、ヨーレート取得部１２８と、実転舵角取得部１２７と、を備えている。

幅位置特定部１２１は、マーカ検知装置１１０から取得した信号に基づき車幅方向におけるマーカ３１０の位置を示す幅位置を特定する。具体的に幅位置特定部１２１は、マーカ検知装置１１０が磁界３１１を検知し始めてから磁界３１１の最大値を検知し、磁界３１１を検知しなくなるまでの一連の信号を複数の磁気センサ１１１から取得する。幅位置特定部１２１は、磁気センサ１１１の装置中心１１９からの距離、およびそれぞれの磁気センサ１１１が示す磁界の強さを示す信号を統計的な演算などを用いて装置中心１１９から通過したマーカ３１０のマーカ中心３１９までの距離を示す幅位置を特定する。

つまり、幅位置特定部１２１は、マーカ検知装置１１０がマーカ中心３１９を通過してから車両２００が検知半径３１８分移動するまで幅位置を特定することができない。車両２００の通常の走行速度において幅位置特定部１２１の幅位置の特定の遅延は問題にならないが、車両２００の走行速度が極低速（例えば１５ｋｍ／ｈ以下、０ｋｍ／ｈよりも大）の場合、幅位置の特定の遅延が自動転舵に影響を与え、遅延の累積により自動運転に不具合が発生することを発明者は見出している。

本実施形態の場合、幅位置特定部１２１は、二個のマーカ検知装置１１０から得られる信号に基づきそれぞれのマーカ３１０の幅位置を特定し、特定された幅位置に基づいてマーカ３１０の並び方向に対する角度（ヨー角）も算出している。

マーカ実位置取得部１２２は、幅位置特定部１２１が特定したマーカ３１０の実際の敷設位置、例えば、マーカ３１０が敷設されている位置の緯度、経度などを示すマーカ実位置をタグから取得する。例えば識別情報取得装置１４０は、ＲＦＩＤ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）タグからマーカ３１０の固有の識別情報を非接触で読み取ることができるリーダーであり、識別情報に含まれるマーカ３１０の敷設箇所の位置座標である緯度、経度などを取得し、マーカ実位置取得部１２２は、識別情報からマーカ３１０の実位置を取得する。

なお、並んで配置されるマーカ３１０の一部にのみ識別情報を有するタグが備えられている場合、マーカ実位置取得部１２２は、タグを備えたマーカ３１０からタグを備えていないマーカ３１０を順にカウントし、タグを備えたマーカ３１０からの相対的な位置関係に基づきマーカ実位置を導出する場合がある。また、タグはＲＦＩＤタグに限定されるものではなく、二次元コードなどであってもかまわない。

移動量算出部１２３は、幅位置特定部１２１が幅位置を特定するまでに車両２００が走行することによりマーカ検知装置１１０がマーカ中心３１９から移動した移動量を算出する。車両２００の移動は直進ばかりでなくカーブする場合も含まれる。本実施の形態の場合、移動量算出部１２３は、車両２００が備える車速センサ３２０から移動量を算出した際の車両２００の車速を取得し、検知半径３１８から車速を除することにより時間として示される移動量を算出する。具体的に、検知半径３１８をｒ、取得した車速をＶ、移動量をｔｄとすると、
ｔｄ＝ｒ／Ｖ…式１
と表すことができる。

ヨーレート取得部１２８は、幅位置特定部１２１が幅位置を特定した際の車両２００のヨーレートを車両２００が備えるジャイロセンサなどのヨーレートセンサ３３０から取得する。

実転舵角取得部１２７は、車両２００がマーカ３１０上を通過する際の転舵輪２１０の実際の転舵角を示す実転舵角を取得する。本実施の形態の場合、実転舵角取得部１２７は、自動運転装置において、電動モータの回転角を減速比で除算した、ステアリングホイールなど操舵部材の実操舵角を実転舵角として取得する。なお、操舵不感帯推定モデルを用いて自動運転のための車両２００から出力される目標操舵角を取得し、取得した目標転舵角から転舵輪２１０の転舵角として推定される実転舵角を算出してもかまわない。

具体的には、記号を以下のように設定し、下記の式２、式３により実転舵角を算出する。
δ：実転舵角
α：既知の不感帯幅
θｈ：実操舵角
Ｒｓｔｒ：ステアリングギアレシオ
｛－１｝：前回値を示す
θα：不感帯内での操舵部材の位置（角度）

以下の式に基づき実転舵角を算出する
θα＝θα｛－１｝＋（θｈ－θｈ｛－１｝）、（（－α／２）＜θα＜（α／２））…式２
δ＝（θｈ－θα）／Ｒｓｔｒ…式３

なお、車両２００が転舵輪２１０の実転舵角を取得する転舵角センサを備えている場合、実転舵角取得部１２７は、転舵角センサからの信号に基づき実転舵角を取得してもかまわない。

また、実転舵角取得部１２７は、実操舵角、実転舵角の少なくとも一方に車両２００の特性に対応させたローパスフィルタを適用してもかまわない。

車両位置算出部１２４は、マーカ実位置取得部１２２が取得したマーカ実位置、幅位置特定部１２１が特定した幅位置、および移動量算出部１２３が算出した移動量に基づき車両２００の実際の位置を示す車両位置を算出する。

具体的には、図５に示すように幾何学モデルにより横滑り角βを算出する。記号を以下のように設定し、下記式４により横滑り角βを算出する。
β：横滑り角
ＬＷＢ:ホイールベース
Ｌｒ:後輪軸２１１から車両基準点２１９（本実施の形態の場合、マーカ検知装置１１０の搭載位置に一致）までの車両２００の前後方向における距離。
β（ｔ）＝ｔａｎ＾（－１）（Ｌｒ＊ｔａｎδ（ｔ）／ＬＷＢ）…式４
＾は、べき乗を示す。

また、記号を以下のように設定し、
γ:実ヨー角
Ｘ、Ｙ:車両位置（Ｘ：緯度、Ｙ：経度）
γｍ:幅位置特定部１２１が特定した車両２００のヨー角
Ｘｍ、Ｙｍ:マーカ３１０に基づく車両位置（Ｘｍ：緯度、Ｙｍ：経度）
ｔｍ:幅位置が特定された時刻
γ’:ヨーレート（アポストロフィは、時間の１回微分を表す）
Ｖ:車速

下記の式５、式６、式７により車両位置を算出する。

…式５

…式６

…式７

図６は、情報の流れを示すシステム図である。同図に示すように、自動運転装置から目標転舵角である実操舵角（以降では実操舵角と記載）（θｈ）を取得し、実転舵角取得部１２７が実転舵角（δ）を演算により導出する。導出された実転舵角（δ）に基づき、車両位置算出部１２４は、横滑り角（β）を式４に基づき算出し、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を適用する。

一方、取得した実操舵角（θｈ）が角度閾値を超えるか否かを使用判定し、超えない場合には式４で求めた横滑り角（β）を使用せず、車両位置算出部１２４には、幾何学モデルではなく運動方程式を用いた方法により横滑り角を算出させる。もしくは、横滑り角（β）を０度として以降の演算を行う。なお、使用判定については、実操舵角が角度閾値を超えるために必要となる車速が車速閾値（例えば１５ｋｍ／ｈ）未満か否かで判定してもよく（すなわち、車速閾値以上では式４で求めた横滑り角（β）を使用しなくてもよく）、実操舵角を出力するために予定される走行経路のカーブの曲率が曲率閾値以上か否かで判定してもかまわない。車速、経路の曲率などは、実操舵角に関連する情報であり、車速閾値、曲率閾値などは角度閾値に関連する値である。

車両位置算出部１２４（図６における車両実位置演算ブロック）は、得られた横滑り角（β）、幅位置特定部１２１が特定した車両２００のヨー角（γｍ）、マーカ３１０に基づく車両位置（Ｘｍ：緯度、Ｙｍ：経度）、ヨーレートセンサ３３０に基づくヨーレート（γ’）、車速センサに基づく車速Ｖを用いて、車両２００の実位置（座標Ｘ、Ｙ）、実ヨー角（γ）を導出する。

上記実施形態に係る自動転舵システム１００によれば、図７に示すように、幅位置特定部１２１における幅位置の特定遅れによって生じる車両位置（Ｘ、Ｙ）の誤差を抑制し、高精度で推定された横滑り角を考慮した慣性航行演算を行うことで車両２００の実位置を正確に推定する事ができる。特に、図８に示すように、車両２００をバス停３４０正着させる際の制御、図９に示すように、車両２００を小さな曲率半径でカーブさせる際の制御などを自動転舵システム１００が実現する場合、車線に追従させるために要求される±数ｃｍ程度の精度を、マーカ３１０の敷設間隔を狭くすることなく実現することができる。これにより、マーカ３１０敷設の効率を向上させることができ、工事費用を抑制できる。

また、車両２００の横滑り角を使用するか否かを、特定の基準で判定することにより、車両が高速で走行する場合は、誤差の補償を実施せずに転舵制御装置１２０の負荷を抑制し、低速で急にまがる場合などは、誤差を補償して正確に慣性走行を実現することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。

例えば、マーカ検知装置１１０を車両２００の前後方向に二個並べる場合を説明したが、ジャイロセンサなどの別のセンサに基づきヨー角が取得できる場合、マーカ検知装置１１０は、一つでもかまわない。

また、前輪ばかりでなく後輪も転舵輪となる車両２００の場合でも、幾何学モデルを用いて幅位置の測定誤差を補償し、正確に車両の実位置を導出してもかまわない。

本発明は、車両、特にバス、トラックなどの比較的大型の車両の自動運転に利用することができる。

１００…自動転舵システム、１１０…マーカ検知装置、１１１…磁気センサ、１１９…装置中心、１２０…転舵制御装置、１２１…幅位置特定部、１２２…マーカ実位置取得部、１２３…移動量算出部、１２４…車両位置算出部、１２７…実転舵角取得部、１２８…ヨーレート取得部、１４０…識別情報取得装置、２００…車両、２０９…中央位置、２１０…転舵輪、２１１…後輪軸、２１９…車両基準点、３００…道路、３０１…第一車線、３０２…第二車線、３１０…マーカ、３１１…磁界、３１８…検知半径、３１９…マーカ中心、３２０…車速センサ、３３０…ヨーレートセンサ、３４０…バス停

Claims (3)

1. 車線に並んで配置される磁石を有するマーカを辿って車両が走行するように転舵輪を自動的に転舵する自動転舵システムであって、
   前記車両が前記マーカ上を通過した際の車幅方向における前記マーカの位置を検知するマーカ検知装置と、
   転舵輪の転舵を制御する転舵制御装置とを、備え、
   前記転舵制御装置は、
   前記マーカ検知装置から取得した信号に基づき車幅方向における前記マーカの位置を示す幅位置を特定する幅位置特定部と、
   マーカの位置を示すマーカ実位置を取得するマーカ実位置取得部と、
   前記幅位置特定部が幅位置を特定するまでに車両が走行した移動量を算出する移動量算出部と、
   前記マーカ実位置、前記幅位置、および前記移動量に基づき車両の位置を示す車両位置を算出する車両位置算出部と、を備える
   自動転舵システム。
2. 前記車両が前記マーカ上を通過する際の実際の転舵角を示す実転舵角を取得する実転舵角取得部を備え、
   前記車両位置算出部は、
   取得した実転舵角を用いて幾何学モデルにより横滑り角を算出し、得られた横滑り角を用いて車両位置を算出する
   請求項１に記載の自動転舵システム。
3. 前記車両位置算出部は、
   取得した操舵角が角度閾値を超えるか否かを判定し、超える場合は前記横滑り角を用いて車両位置を算出する
   請求項２に記載の自動転舵システム。

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