JP2023092895A

JP2023092895A - 制御装置

Info

Publication number: JP2023092895A
Application number: JP2021208190A
Authority: JP
Inventors: 章伊藤; Akira Ito; 和也花本; Kazuya Hanamoto; 茂徳市瀬; Shigenori Ichise
Original assignee: Denso Corp; J Quad Dynamics Inc
Current assignee: Denso Corp; J Quad Dynamics Inc
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2023-07-04
Also published as: WO2023119799A1; US20240336280A1

Abstract

【課題】軌道計画及び速度計画の作成に必要な演算負荷を低減することのできる制御装置、を提供する。
【解決手段】制御装置１０は、所定の経路に沿って車両ＭＶを走行させる際の、各地点における車両ＭＶの横位置を示す計画、である軌道計画を作成する第１計画作成部１３と、上記経路に沿って車両ＭＶを走行させる際の、各地点における車両ＭＶの走行速度を示す計画、である速度計画を作成する第２計画作成部１４と、軌道計画及び速度計画の両方に従って車両ＭＶを走行させる、制駆動力制御部１５及び操舵制御部１６と、を備える。第２計画作成部１４は、第１計画作成部１３が軌道計画を作成した後に、当該軌道計画に従って車両ＭＶを走行させるための計画として速度計画を作成する。
【選択図】図１

Description

本開示は移動体の制御装置に関する。

車両の運転操作の一部又は全部を自動化する技術の開発が進められている。このような技術には、先進運転支援システム（Advanced Driver Assistance Systems：ＡＤＡＳ）と称されるものや、自動運転（Autonomous Driving：ＡＤ）と称されるものが含まれる。例えば下記特許文献１には、乗員の嗜好速度に応じた適切な目標速度を設定し、実際の速度が目標速度となるよう、エンジンの駆動力等を自動的に調整する技術についての記載がある。

この分野における技術の進歩は目覚ましく、国内のみならず世界中において開発競争が激化している。また、近年ではインフラも整備されてきており、高度道路交通システムから制御に必要な情報を得ることや、地形情報を含む詳細な地図データを利用することも可能となってきた。更には、アクチュエータ制御や電動ブレーキ等の個々の技術開発も進んだことで、車両の運動に関するきめ細かな制御を行うことも可能となってきた。

制御に用いることのできる情報が詳細且つ多様となり、ハードウェア技術の進歩で制御自由度も向上したことで、今後はより高度な制御が可能となっていくものと考えられる。例えば、車両の走行性能、乗り心地、及びエネルギー効率等を、更に向上させるような制御の実現が期待される。

特許第４５１３２４７号公報

本発明者らは、車両の走行速度の自動調整を最適化することに加え、車両が走行する軌道の自動調整をも最適化することで、車両の走行に必要なエネルギーを低減することについて検討を進めている。尚、ここでいう「軌道」とは、車両が特定の走路を走行する際において、当該走路のうち幅方向におけるどの部分を車両が走行するのか、を示す軌道のことである。従って、「軌道の自動調整」とは、走行中における車両の「横位置」を自動調整することを意味する。

このような制御を可能とするための方法としては、将来の所定期間において車両の走行速度をどのように変化させて行くべきか、を示す速度計画と、当該所定期間においてどのような軌道に沿って車両を走行させるべきか、を示す軌道計画と、の両方を作成し、速度計画及び軌道計画の両方に従って車両を走行させることが考えられる。消費されるエネルギーが可能な限り低くなるよう、速度計画及び軌道計画の両方を最適化して作成することができれば、車両のエネルギー効率を高めることができる。

例えば上記の速度計画を作成するためには、車両のダイナミクスのみならず、エンジンやモータ等のパワトレイン効率特性や、走路の勾配や曲率のような外界情報等、複数の要因を考慮しながら、最適化問題として定式化しこれを解く必要がある。しかしながら、制御のために利用可能な情報が多くなるほど、当該情報を用いた制御を実現するための演算負荷は当然に大きくなる。このため、速度計画のみを作成する場合であっても、多大な演算リソースを要することとなり、車両に搭載可能な制御装置では実現が難しくなる可能性がある。当然ながら、速度計画のみならず軌道計画についても最適化しようとする場合には、求められる演算リソースは更に膨大なものとなってしまう。

本開示は、軌道計画及び速度計画の作成に必要な演算負荷を低減することのできる制御装置、を提供することを目的とする。

本開示に係る制御装置は、移動体（ＭＶ）の制御装置（１０）であって、所定の経路に沿って移動体を走行させる際の、各地点における移動体の横位置を示す計画、である軌道計画を作成する第１計画作成部（１３）と、経路に沿って移動体を走行させる際の、各地点における移動体の走行速度を示す計画、である速度計画を作成する第２計画作成部（１４）と、軌道計画及び速度計画の両方に従って移動体を走行させる走行制御部（１５，１６）と、を備える。第２計画作成部は、第１計画作成部が軌道計画を作成した後に、軌道計画に従って移動体を走行させるための計画として速度計画を作成する。

このような構成の制御装置は、初めに軌道計画を作成し、その後、当該軌道計画に従って移動体を走行させるための計画として、速度計画を作成する。つまり、複合的な最適化問題を解くことで軌道計画と速度計画の両方を同時に作成するのではなく、速度計画とは独立した形で、軌道計画のみを先ず作成する。これにより、軌道計画の作成に必要な演算負荷を低減することができる。また、速度計画については、既存の軌道計画に従った走行を前提として作成するので、速度計画の作成に必要な演算負荷をも低減することができる。

尚、複合的な演算により、軌道計画と速度計画の両方を同時に作成する場合に比べると、エネルギー効率向上の効果は小さくなる。しかしながら、必要な演算負荷を著しく低減することができるので、例えば、制御装置の全体を車載ＥＣＵとして構成することが可能となる等、大きな利点を得ることができる。

本開示によれば、軌道計画及び速度計画の作成に必要な演算負荷を低減することのできる制御装置、が提供される。

図１は、本実施形態に係る制御装置の構成を模式的に示すブロック図である。図２は、制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。図３は、軌道計画の一例について説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

本実施形態に係る制御装置１０は、車両ＭＶの動作を制御するための装置として構成されている。図１には、制御対象である車両ＭＶが模式的なブロックとして描かれている。車両ＭＶは例えば電動車両であって、走行に必要な駆動力を発生させる装置として不図示の回転電機を備えている。このような態様に換えて、車両ＭＶは、内燃機関の駆動力によって走行する車両であってもよい。また、車両ＭＶは、内燃機関及び回転電機のそれぞれの駆動力によって走行し得るハイブリッド車両であってもよい。

本実施形態の車両ＭＶは、運転操作の全てを自動的に行う、所謂「自動運転車両」として構成されている。このような態様に換えて、駆動操作（アクセル操作）、制動操作（ブレーキ操作）、及び操舵（ハンドル操作）のうちの一部のみを自動的に行うような車両であってもよい。いずれの場合も、自動的な運転操作は、制御装置１０が行う制御によって実現される。また、制御装置１０が、乗員の代わりに自動的な操作を行うのではなく、例えば目標速度や目標軌道等を乗員に指示することで、適切な運転操作を行わせるような態様であってもよい。

制御装置１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するコンピュータシステムとして構成されており、その全体が、制御対象である車両ＭＶに搭載されている。つまり、制御装置１０は、所謂車載ＥＣＵとして構成されている。本実施形態の制御装置１０は単一の装置として構成されているが、互いに双方向の通信を行う複数の装置として構成されていてもよい。また、以下に説明する制御装置１０の機能の一部又は全部が、車両ＭＶとは異なる位置に配置されたサーバーにより実現されている態様であってもよい。

図１には、制御装置１０の構成が、ブロック図として模式的に描かれている。制御装置１０は、その機能を表すブロック要素として、記憶部１１と、経路設定部１２と、第１計画作成部１３と、第２計画作成部１４と、制駆動力制御部１５と、操舵制御部１６と、を備えている。

記憶部１１は、制御装置１０に設けられた不揮発性の記憶装置であって、例えばＳＳＤやＨＤＤ等である。記憶部１１には、制御装置１０が行う処理に必要な各種の情報が記憶されている。当該情報には、車両ＭＶが走行し得る走路の各地点における地形、具体的には、各地点における勾配、曲率、レーン数、各レーンの幅、等が含まれる。記憶部１１に記憶されている情報が、時間の経過や車両ＭＶの走行位置等に応じて都度更新されることとしてもよい。

経路設定部１２は、車両ＭＶが目的地に到達するために走行すべき経路、を設定する処理を行う部分である。車両ＭＶの車室（不図示）には、乗員が操作を行う部分である操作部２０が、例えばタッチパネルとして設けられている。乗員が操作部２０を操作し、所望の目的地を設定すると、経路設定部１２は、現在地から目的地までの適切な経路を設定する。経路設定部１２による経路の設定は、走行に必要なエネルギーが可能な限り小さくなるように行われることが好ましい。例えば、可能な限り平坦な経路や、道のりが最も短い経路が設定されることが好ましい。尚、経路設定部１２や操作部２０は、車両ＭＶに搭載されたナビゲーションシステムの一部であってもよい。

第１計画作成部１３は、軌道計画を作成する処理を行う部分である。「軌道計画」とは、経路設定部１２が設定した経路に沿って車両ＭＶを走行させる際の、各地点における車両ＭＶの横位置を示す計画、のことである。軌道計画は、経路に沿って車両ＭＶが所定距離進むごとの、各地点における横位置として作成される。「横位置」としては、例えば、左右方向に沿った走路の中心位置から、同方向に沿った車両の中心位置までの距離が用いられる。

第１計画作成部１３は、経路設定部１２によって設定された経路、記憶部１１に記憶されている曲率等の地形情報、及び、車両ＭＶの走行位置に基づいて、軌道計画を作成する。車両ＭＶの走行位置は、例えば、車両ＭＶに搭載されたＧＰＳセンサからの信号等に基づいて取得することができる。第１計画作成部１３は、走行に必要なエネルギーが小さくなるように軌道計画を作成する。軌道計画の具体的な作成方法については後に説明する。

第２計画作成部１４は、速度計画を作成する処理を行う部分である。「速度計画」とは、経路設定部１２が設定した経路に沿って車両ＭＶを走行させる際の、各地点における車両ＭＶの走行速度を示す計画、のことである。速度計画は、所定時間が経過するごとの、各時刻における走行速度として作成される。先に述べた軌道計画と同様に、速度計画が、経路に沿って車両ＭＶが所定距離進むごとの、各地点における走行速度として作成されることとしてもよい。

車両ＭＶの乗員は、操作部２０を操作することにより、所望の設定速度を入力することができる。第２計画作成部１４は、車両ＭＶが設定速度又はそれに近い走行速度で走行するように、速度計画を作成する。

第２計画作成部１４は、上記の設定速度に加えて、記憶部１１に記憶されている勾配や曲率等の地形情報、第１計画作成部によって作成された軌道計画、車両ＭＶの現在の走行位置や走行速度等に基づいて、速度計画を作成する。車両ＭＶの現在の走行位置は、例えば、車両ＭＶに搭載された速度センサからの信号等に基づいて取得することができる。第２計画作成部１４は、車両ＭＶが設定速度に近い速度で走行し、且つ、走行に必要なエネルギーが小さくなるように、速度計画を作成する。速度計画の具体的な作成方法については後に説明する。

制駆動力制御部１５は、速度計画に従って車両ＭＶを走行させる処理を行う部分である。制駆動力制御部１５は、現在以降の各時刻における車両ＭＶの走行速度が、速度計画に示される走行速度に一致するように、車両ＭＶの制動力や駆動力（以下、これらを総じて「制駆動力」とも称する）を調整する。具体的には、制駆動力制御部１５は、速度計画に示される走行速度と、実際の走行速度との偏差が小さくなるよう、フィードバック制御を行うことにより制駆動力を調整しながら、車両ＭＶを走行させる。

制駆動力制御部１５は、速度計画、現在の走行速度、及び現在の車両状態に基づいて、上記のフィードバック制御を行う。「車両状態」とは、例えば車両ＭＶが備える回転電機の回転数、トルク、車両ＭＶの重心位置等であって、制御における状態変数として用いられる各種パラメータのことである。制駆動力制御部１５は、車両ＭＶの各部に設定された信号や、当該信号から推定して得られる情報等に基づいて、車両状態を取得する。制駆動力制御部１５は、フィードバック制御の結果として算出される制駆動力指示値を、車両ＭＶに搭載された各種機器へと出力する。当該機器には、例えば、回転電機に供給される電流を調整するインバータや、電動ブレーキ装置等が含まれる。制駆動力制御部１５が行うフィードバック制御としては、例えば公知となっている種々の方法を採用することができるため、詳細な説明については省略する。

操舵制御部１６は、軌道計画に従って車両ＭＶを走行させる処理を行う部分である。操舵制御部１６は、経路に沿って走行する車両ＭＶの各地点における横位置が、軌道計画に示される横位置に一致するように、車両ＭＶの操舵を行う。

操舵制御部１６は、速度計画及び軌道計画に基づいて必要な操舵量を算出し、当該操舵量に対応したヨーレート指示値を算出する。操舵制御部１６は、車両ＭＶに搭載された電動操舵装置へとヨーレート指示値を出力することで、軌道計画に沿った走行を実現させる。速度計画及び軌道計画に応じて、操舵量やヨーレート指示値を算出するための具体的な方法としては、例えば公知となっている種々の方法を採用することができるため、詳細な説明については省略する。尚、操舵制御部１６から車両ＭＶに向けて出力される信号は、本実施形態のようにヨーレート指示値であってもよいが、操舵量を直接示す指示値であってもよい。

制駆動力制御部１５及び操舵制御部１６の全体は、軌道計画及び速度計画の両方に従って車両ＭＶを走行させる部分、ということができる。これらは、本実施形態における「走行制御部」に該当する。

尚、制御装置１０が、乗員の代わりに自動的な操作を行うのではなく、例えば目標速度や目標軌道等を乗員に指示するような場合であっても、走行制御部は、軌道計画及び速度計画の両方に（結果的に）従って車両ＭＶを走行させることに変わりはない。

制御装置１０により実行される処理の概要について、図２を参照しながら説明する。図２のフローチャートは、第１計画作成部１３による軌道計画の作成、及び、第２計画作成部１４による速度計画の作成、が行われる順序を表している。同図に示されるように、最初のステップＳ０１において軌道計画の作成が行われ、続くステップＳ０２において速度計画の作成が行われる。

このように、本実施形態に係る制御装置１０は、１つの最適化問題を解いた結果として軌道計画及び速度計画の両方を同時に作成するのではなく、先に軌道計画のみを作成し、その後、既存の軌道計画を前提として速度計画を作成するように構成されている。このような順序で各計画を作成することの利点については後に説明する。

第１計画作成部１３による軌道計画の作成方法について説明する。図３には、作成された軌道計画の一例が示されている。同図に示される線ＬＬは、車両ＭＶが走行する走路（具体的にはレーン）のうち左端の境界を示す線である。線ＲＬは、車両ＭＶが走行する走路のうち右端の境界を示す線である。図３には、算出された軌道計画に示される軌道、すなわち、車両ＭＶの中心位置が通るべき軌道が、矢印ＴＲで示されている。

図３の例において、車両ＭＶが走行する走路は、最初は右方向に曲がるカーブ路ＣＶ１となっており、その先においては左方向に曲がるカーブ路ＣＶ２となっている。図３に示されるように、軌道計画(矢印ＴＲ）に沿って走行する車両ＭＶは、走路の中央よりも左側（つまりアウト側）から右側へと横位置を変化させながら、最初のカーブ路ＣＶ１へと進入する。カーブ路ＣＶ１においては、車両ＭＶは、走路の中央よりも右側（つまりイン側）を走行しながら、走路に沿って右方向に曲がる。その後、車両ＭＶは、走路の中央よりも右側から再び左側（つまりアウト側）へと横位置を変化させながらカーブ路ＣＶ１を抜け、次のカーブ路ＣＶ２に向かう。

続いて、車両ＭＶは、走路の中央よりも右側（つまりアウト側）から左側へと横位置を変化させながら、カーブ路ＣＶ２へと進入する。カーブ路ＣＶ２においては、車両ＭＶは、走路の中央よりも左側（つまりイン側）を走行しながら、走路に沿って左方向に曲がる。その後、車両ＭＶは、走路の中央よりも左側から再び右側（つまりアウト側）へと横位置を変化させながらカーブ路ＣＶ２を抜ける。

この例の矢印ＴＲのように、第１計画作成部１３は、所謂「アウト・イン・アウト」の軌道に沿って、経路上にあるそれぞれのカーブ路を車両ＭＶが走行するように、軌道計画を作成する。矢印ＴＲのような軌道は、走路を外れないように車両ＭＶを走行させる軌道であり、且つ、各点における曲率が最小となるような軌道、ということもできる。

車両ＭＶが経路を通る際の任意の軌道を、例えば所定距離ごとの複数の区間に分けると、それぞれの区間における軌道の曲率を定義することができる。このように算出された複数の曲率の二乗和を評価関数とし、当該評価関数が最小となるような軌道を選択すれば、矢印ＴＲで示される例のように、曲率が最小となるような軌道を得ることができる。本実施形態の第１計画作成部１３は、例えばこのような方法で、車両ＭＶがアウト・イン・アウトの軌道に沿って各カーブ路を走行するように軌道計画を作成する。

このようなアウト・イン・アウトの軌道に沿って車両ＭＶを走行させると、操舵量が比較的小さくなるため、操舵に必要なエネルギーが抑制される。また、車両ＭＶの走行距離が短くなることや、横加速度の低減に伴って減速幅が小さくなること等により、走行に必要なエネルギーは更に抑制される。本発明者らが行ったシミュレーションによれば、レーン中央の軌道に沿って車両ＭＶを走行させた場合に比べて、アウト・イン・アウトの軌道に沿って車両ＭＶを走行させた場合の消費エネルギーは、著しく減少することが確認された。

このように、第１計画作成部１３による軌道計画の作成は、現在位置以降で車両ＭＶが走行する経路や、当該経路に含まれる走路の地形情報（例えば幅や曲率）のみに基づいて行われる。換言すれば、軌道計画の作成は、車両ＭＶをどのような速度で走行させるか（つまり速度計画）や、重量等の車両諸元を一切用いることなく行われる。従って、軌道計画の作成に必要な演算負荷は比較的小さくなっている。

本実施形態の第１計画作成部１３は、車両ＭＶの現在位置から、経路に沿って所定距離だけ先となる位置までの範囲について、軌道計画を作成する。車両ＭＶの走行中において、第１計画作成部１３は、所定の周期が経過する毎に、上記のような軌道計画を定期的に作成し更新する。作成された軌道計画は、第１計画作成部１３から第２計画作成部１４へと入力され、速度計画の作成に用いられる。

尚、車両ＭＶの目的地や全体の経路が予め決まっている場合には、車両ＭＶが走行を開始する前の時点で、全体の経路に沿った軌道計画を一度に作成しておき、上記のような更新を行わないこととしてもよい。例えば、車両ＭＶが商用車や路線バスである場合には、このような軌道計画の一括生成が可能である。また、車両ＭＶが一般家庭用の車両であったとしても、車両ＭＶの目標値や経路が例えば前日に入力された場合等は、上記のような軌道計画の一括生成が可能である。

第２計画作成部１４による速度計画の作成方法について説明する。先に述べたように、速度計画は、経路設定部１２が設定した経路に沿って車両ＭＶを走行させる際の、各地点における車両ＭＶの走行速度を示す計画、として作成される。

以下では、車両ＭＶがこれから通る経路を一定のサンプリング距離ごとに区分した場合の区分数を「Ｓ」と表現することとし、０からＳまでのいずれかの整数値をとるインデックスを「ｋ」と表現することとする。更に、現在地からサンプリング距離×ｋだけ先にある地点における、車両ＭＶの目標速度を「ｖ（ｋ）」と表記すれば、速度計画は、全てのｋの値についてのｖ（ｋ）の集合として表すことができる。尚、速度計画に含まれるｖ（０）は、車両ＭＶの現在の走行速度のことであるから、その値は既知である。

第２計画作成部１４は、以下の式（１）で示される評価関数の値が最小となるように、ｖ（ｋ）の個々の値を設定し、これにより速度計画を作成する。

式（１）に含まれる「ｗ_ｆ」及び「ｗ_ｖ」は、重み付けのための係数である。「Ｆ（ｋ）」は、ｋの値に対応した各地点における制駆動力を表している。「ｖ_ｔｇｔ」は、使用者が操作部２０を操作することにより予め設定した設定速度を表している。

勾配による自車重量を利用し、可能な限り制駆動力を生じさせないように車両ＭＶを走行させた場合には、制駆動力であるＦ（ｋ）の二乗和（式（１）の第１項）は小さくなり、走行のために要するエネルギーは小さくなる。一方、この場合には、車両ＭＶの走行速度の変動が大きくなり、ｖ（ｋ＋１）とｖ_ｔｇｔとの偏差の二乗和（式（１）の第２項）は大きくなってしまう。このように、自車重量を利用することと、設定速度を維持することとは、互いにトレードオフの関係にある。式（１）の評価関数を最小化することは、設定速度の維持を基本としつつ、設定速度からの多少の速度変動を許容しながら、制駆動力で消費されるエネルギーが小さくなるように、速度計画を作成することであるといえる。

尚、式（１）の評価関数を最小とするような最小化問題を解くにあたっては、以下の式（２）で示される制約条件が設定される。

式（２）のＶ_ｍａｘ（ｋ）は、ｋの値に対応した各地点において許容される、走行速度の最大値を表している。それぞれのＶ_ｍａｘ（ｋ）の値は、予め作成された軌道計画を用いて算出されるのであるが、その方法については後述する。第２計画作成部１４は、式（１）の評価関数を最小とする最小化問題を、式（２）の制約条件の下で解くことにより、速度計画を作成する。

式（１）には、制駆動力を表すＦ（ｋ）が含まれているので、上記の最小化問題をそのまま解くことは難しい。そこで、以下に述べるような変形を式（１）に施すこととする。

先ず、ｋの値に対応した各地点において、車両ＭＶに加えられる自車重量の進行方向成分の力を「Ｆ_ｇｒａｄ（ｋ）」とした場合、Ｆ_ｇｒａｄ（ｋ）は以下の式（３）のように表現される。

式（３）の「ｇ」は重力加速度である。「θ（ｋ）」は、ｋの値に対応した各地点における走路の勾配を表している。Ｆ_ｇｒａｄ（ｋ）を用いると、車両ＭＶの運動方程式は以下の式（４）のように表現される。

式（４）の「Ｆ（ｔ）」は、制駆動力を時間の関数として表したものである。「ｋ_ｔ」は、先に述べたｋのうち、時刻ｔに対応した地点インデックスのことを表している。尚、Ｆ（ｔ）やＦ_ｇｒａｄ（ｋ_ｔ）としては、車両ＭＶに加えられる力を、車両ＭＶの重量で正規化したものが用いられている。このため、式（４）を用いるにあたっては、車両ＭＶの特定の諸元を意識する必要がない。

尚、速度計画は、車両ＭＶの走行速度が、設定速度の近傍で調整されることを前提として作成される。この場合、走行中の車両ＭＶに働く空気抵抗の変動は概ね一定と見なすことができるので、式（４）においては空気抵抗の影響を無視している。

車両ＭＶの初期速度を「ｖ_０」とし、そこから時間ｔが経過した時点における車両ＭＶの走行速度を「ｖ（ｔ）」とし、当該時点までの車両ＭＶの走行距離を「ｓ（ｔ）」とした場合には、上記の式（４）より、ｖ（ｔ）とｓ（ｔ）との関係は以下の式（５）のように表すことができる。

車両ＭＶの走行速度がｖ（ｋ）からｖ（ｋ＋１）に変化するまでに、車両ＭＶが走行する距離をΔｓとすれば、式（５）より以下の式（６）を得ることができる。尚、Δｓは、先に述べた「サンプリング距離」のことである。

式（６）を変形することにより、以下の式（７）を得ることができる。

式（７）を式（１）に代入すれば、以下の式（８）を得ることができる。

式（８）は、式（１）の評価関数を、Ｆ（ｋ）を含まない形に変形したものである。式（８）は、決定変数であるｖ（ｋ）のみを未知の変数として含んだ形となっている。このため、式（８）の評価関数を最小化するような最小化問題を解くことが可能となり、速度計画としてｖ（ｋ）を得ることができる。式（８）は、Δｓを「サンプリング距離」とし、０～Ｓの範囲で示される距離の全体を「ホライズン距離」とした上で、両者を用いて記述されるＭＰＣ（Model Predictive Control）問題として速度計画問題を定式化したもの、ということができる。

ここで、式（８）の第２項は、走行速度と設定速度との偏差の大きさを示すものであればよい。このため、式（８）の第２項に換えて、以下の式（９）で示される項を用いてもよい。

上記のように式（８）の評価関数を変形した場合には、最小化問題を、凸２次計画問題に帰着させることができるので、一般的なソルバーを用いて比較的容易に解くことが可能となる。

最小化問題を解くにあたり、式（２）の制約条件に含まれるＶ_ｍａｘ（ｋ）の値としては、以下の式（１０）が用いられる。

式（１０）の右辺にある「ｇ」は重力加速度である。「Ｇ_ｌｍ」は、カーブ路を走行中において車両ＭＶが受ける横加速度についての、許容される上限値であって、重力加速度を単位とした所定の数値（固定値）として設定される。「κ（ｋ）」は、ｋの値に対応した各地点において、車両ＭＶが走行する軌道の曲率を表している。各地点におけるκ（ｋ）の値は、予め作成された軌道計画に基づいて容易に算出することができる。

このように、軌道計画に基づき作成されたＶ_ｍａｘ（ｋ）を制約条件に組み込みながら、式（８）を最小化する最小化問題を解くことで、各地点における目標速度としてｖ（ｋ）を得ることができる。速度計画を構成する各地点のｖ（ｋ）のことを、以下では改めて「ｖ_ｒｅｆ（ｋ）」と表記する。

尚、以上のように作成された速度計画は、サンプリング距離毎の各地点における目標速度ｖ_ｒｅｆ（ｋ）の集合となっている。ただし、制駆動力制御部１５によって実行されるフィードバック制御に速度計画を用いるにあたっては、速度計画は、所定周期毎の時系列に沿った目標速度の集合として表現されていることが好ましい。つまり、ｖ_ｒｅｆ（ｋ）ではなくｖ_ｒｅｆ（ｔ）の形として速度計画が表現されていることが好ましい。そこで、第２計画作成部１４は、得られたｖ_ｒｅｆ（ｔ）を以下で述べる方法により変換し、最終的な速度計画としてｖ_ｒｅｆ（ｔ）を作成する。

車両ＭＶの走行速度がｖ_ｒｅｆ（ｋ）からｖ_ｒｅｆ（ｋ＋１）に変化するまでに、車両ＭＶが走行する距離をΔｓとすれば、車両ＭＶがΔｓを走行する期間における加速度は、近似的に以下の式（１１）のように表すことができる。

式（１１）を用いれば、車両ＭＶの走行速度がｖ_ｒｅｆ（ｋ）からｖ_ｒｅｆ（ｋ＋１）に変化するまでの、各時刻におけるｖ_ｒｅｆ（ｔ）は、以下の式（１２）を用いて算出することができる。

式（１２）における「ｎ」は、０から始まる整数であって、速度フィードバックの周期毎に１ずつカウントアップされる変数である。「Δｔ」は当該周期を表している。

尚、ｎのカウントアップに伴い、「ｖ_ｒｅｆ（ｋ＋１）」の括弧内の時刻が以下の式（１３）の範囲を超えた場合には、式（１２）のｋを１だけステップアップさせると同時にｎを０にリセットし、再度ｎのカウントアップを行っていけばよい。

以上のような方法による速度計画の作成は定期的に行われ、その度に、現在位置を始点とした速度計画となるように更新される。速度計画の更新は、車両ＭＶが所定距離進むごとに行われてもよく、所定時間が経過する毎に行われてもよい。いずれの場合でも、第２計画作成部１４が速度計画を更新する頻度は、第１計画作成部１３が軌道計画を更新する頻度よりも高いことが好ましい。尚、上記における「第１計画作成部１３が軌道計画を更新する頻度」には、軌道計画が最初に１度しか作成されない場合の「頻度」も含まれる。

以上に説明したように、本実施形態の制御装置１０では、第１計画作成部１３が軌道計画を作成した後に、当該軌道計画に従って車両ＭＶを走行させるための計画として、第２計画作成部１４が速度計画を作成する。つまり、制御装置１０は、複合的な最適化問題を解くことで軌道計画と速度計画の両方を同時に作成するのではなく、速度計画とは独立した形で、軌道計画のみを先ず作成する。これにより、軌道計画の作成に必要な演算負荷を低減することができる。また、速度計画については、既存の軌道計画に従った走行を前提として作成するので、速度計画の作成に必要な演算負荷をも低減することができる。

尚、複合的な演算により、軌道計画と速度計画の両方を同時に作成する場合に比べると、エネルギー効率向上の効果は小さくなる。しかしながら、必要な演算負荷を著しく低減することができるので、例えば、制御装置１０の全体を車載ＥＣＵとして構成することが可能となる等、大きな利点を得ることができる。

第２計画作成部１４は、既存の軌道計画に従った走行を前提として、速度計画を作成する。具体的には、第２計画作成部１４は、経路に沿った各地点において許容される最大速度Ｖ_ｍａｘ（ｋ）を、式（１０）のように、軌道計画から得られるκ（ｋ）を用いることにより算出する。第２計画作成部１４は、このように得られたＶ_ｍａｘ（ｋ）を制約条件としながら最適化問題を解くことで、経路に沿った各地点における車両ＭＶの走行速度が最大速度Ｖ_ｍａｘ（ｋ）を超えないように、ｖ_ｒｅｆ（ｋ）又はｖ_ｒｅｆ（ｔ）の形で速度計画を作成する。

速度計画を作成するにあたり、第２計画作成部１４は、式（４）のように制駆動力を車両ＭＶの重量で正規化した運動方程式を用いて、速度計画を作成する。このような方法をとることにより、速度計画を作成するにあたっては、先の軌道計画を作成する場合と同様に、車両ＭＶの諸元を必要としない。尚、最終的な制駆動力の調整に当たっては、重量等の諸元を必要とするのであるが、このような諸元を必要とする処理は、本実施形態では制駆動力制御部１５や操舵制御部１６が担っている。

つまり、本実施形態では、車両ＭＶの諸元を必要とする処理を制駆動力制御部１５等が担うこととし、車両の諸元を必要としない抽象度の高い処理を、第１計画作成部１３及び第２計画作成部１４が担うよう、最適化問題として定式化すべき事項を局所化させている。換言すれば、車両ＭＶの制御アルゴリズムのうち、人為的に記述することの難しい部分に絞って、最適化問題として定式化することとしている。このような局所化により、評価関数（式（８））や、制約条件（式（２））の簡素化が可能となり、演算負荷の低減及び求解時間の短縮が実現されている。

尚、本実施形態に係る制御装置１０では、軌道計画の作成と速度計画の作成とを分離したことで、それぞれの作成に要する処理が簡素化され、その結果として、正規化した運動方程式（式（４））を用いた抽象度の高い定式化が可能となっている。つまり、上記のような最適化問題の局所化は、軌道計画の作成と速度計画の作成とを分離したことにより実現された、と見ることもできる。

以上に述べた軌道計画及び速度計画の作成方法は、求められる演算リソースを低減し、制御装置１０の小型化、及び車両ＭＶへの搭載性を向上させるものである。しかしながら、先に述べたように、制御装置１０の一部または全部を、車両ＭＶとは異なる位置に設置する態様としてもよく、そのような態様も本開示の範囲に含まれる。

制御装置１０が制御対象とする移動体は、本実施形態のような車両ＭＶであってもよく、車両ＭＶとは別の種類の移動体であってもよい。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

本開示に記載の制御装置及び制御方法は、コンピュータプログラムにより具体化された１つ又は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された１つ又は複数の専用コンピュータにより、実現されてもよい。本開示に記載の制御装置及び制御方法は、１つ又は複数の専用ハードウェア論理回路を含むプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。本開示に記載の制御装置及び制御方法は、１つ又は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと１つ又は複数のハードウェア論理回路を含むプロセッサとの組み合わせにより構成された１つ又は複数の専用コンピュータにより、実現されてもよい。コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。専用ハードウェア論理回路及びハードウェア論理回路は、複数の論理回路を含むデジタル回路、又はアナログ回路により実現されてもよい。

ＭＶ：車両
１０：制御装置
１３：第１計画作成部
１４：第２計画作成部
１５：制駆動力制御部
１６：操舵制御部

Claims

移動体（ＭＶ）の制御装置（１０）であって、
所定の経路に沿って移動体を走行させる際の、各地点における移動体の横位置を示す計画、である軌道計画を作成する第１計画作成部（１３）と、
前記経路に沿って移動体を走行させる際の、各地点における移動体の走行速度を示す計画、である速度計画を作成する第２計画作成部（１４）と、
前記軌道計画及び前記速度計画の両方に従って移動体を走行させる走行制御部（１５，１６）と、を備え、
前記第２計画作成部は、
前記第１計画作成部が前記軌道計画を作成した後に、前記軌道計画に従って移動体を走行させるための計画として前記速度計画を作成する、制御装置。
前記第２計画作成部は、
前記軌道計画を用いることにより、前記経路に沿った各地点において許容される最大速度を算出し、
前記経路に沿った各地点における移動体の走行速度が当該最大速度を超えないよう、前記速度計画を作成する、請求項１に記載の制御装置。
前記走行制御部は、前記速度計画に示される走行速度と、実際の走行速度との偏差が小さくなるよう、フィードバック制御を行いながら移動体を走行させる、請求項１又は２に記載の制御装置。
前記第１計画作成部は、移動体がアウト・イン・アウトの軌道に沿ってカーブ路を走行するように前記軌道計画を作成する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置。
前記第２計画作成部が前記速度計画を更新する頻度は、前記第１計画作成部が前記軌道計画を更新する頻度よりも高い、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置。
前記第２計画作成部は、制駆動力を移動体の重量で正規化した運動方程式を用いて、前記速度計画を作成する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の制御装置。