JP2023158340A - 車両制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の横位置制御の精度を向上させる。
【解決手段】
一態様の車両制御装置は、車両の速度を取得する走行情報取得部と、車両を目標経路に沿って走行させる目標操舵角を決定する目標操舵角決定部と、目標操舵角になるように車両の操舵角を制御する制御部と、を備える。目標操舵角決定部は、車両の速度が閾値よりも速い場合には、運動方程式によって車両の運動を表す動力学モデルに基づいて車両の重心点を目標経路に追従させる目標操舵角を決定し、車両の速度が閾値よりも遅い場合には、幾何学的関係によって車両の運動を表す幾何学モデルに基づいて車両の後軸中心点を目標経路に追従させる目標操舵角を決定する。
【選択図】図１

Description

本開示は、車両の操舵角を制御する車両制御装置に関する。

予め設定された目標経路に沿って車両が走行するように車両の操舵角を制御する技術が知られている。例えば、下記特許文献１には、目標軌道上の目標地点と車両の将来の走行地点との横方向誤差が減少するように車両の操舵角を補正することで、車両を走行車線に沿って走行させることが記載されている。

目標経路に沿って車両を走行させる目標操舵角を算出するためには、車両モデルを用いて操舵角の変化に応じた車両の挙動を推定する必要がある。車両モデルの一例として、運動方程式によって車両の運動を表す動力学モデルが知られている。例えば、下記非特許文献１には、車両の操舵角とヨーレイトとの関係を表す動力学モデルに基づいて、車両の操舵角を制御する手法について記載されている。

特開２０１０－１２６０７７号公報

吉田順、杉町敏之、深尾隆則、「トラックのPath Following制御に基く自動運転」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、７７巻７８３号、ｐ．４１２５－４１３５、（２０１１）。

一般的に、低速走行時には高速走行時よりも車両の横位置の制御に高い精度が要求される。例えば、交差点を右左折する場合には、内輪差を考慮して操舵角を細かく調整しながら車両を旋回させる必要がある。しかしながら、上述した動力学モデルを用いた操舵制御では、高速走行時には車両の横位置を高い精度で制御することができるものの、低速走行時には外乱の影響を受けやすくなり、高い精度で横位置を制御することが難しい。

したがって、本開示は、車両の横位置制御の精度を向上させることを目的とする。

一態様では、予め設定された目標経路に沿って車両が走行するように車両の操舵角を制御する車両制御装置が提供される。この車両制御装置は、車両の速度を取得する走行情報取得部と、車両を目標経路に沿って走行させる目標操舵角を決定する目標操舵角決定部と、目標操舵角になるように車両の操舵角を制御する制御部と、を備える。目標操舵角決定部は、車両の速度が閾値よりも速い場合には、運動方程式によって車両の運動を表す動力学モデルに基づいて車両の重心点を目標経路に追従させる操舵角を目標操舵角として決定し、車両の速度が閾値よりも遅い場合には、幾何学的関係によって車両の運動を表す幾何学モデルに基づいて車両の後軸中心点を目標経路に追従させる操舵角を目標操舵角として決定する。

本態様に係る車両制御装置では、車両の速度が閾値よりも速い場合には、高い精度で車両の横位置制御が可能な動力学モデルを用いて車両の目標操舵角を決定する。一方、車両の速度が閾値よりも遅い場合には、低速走行時に高い精度で車両の横位置制御が可能な幾何学モデルに基づいて車両の目標操舵角を決定する。したがって、この車両制御装置によれば、車両の速度に関わらず、車両の横位置を高い精度で制御することができる。

一実施形態では、目標操舵角決定部は、車両の速度が閾値よりも速い場合には、目標経路上の目標位置と車両の前方注視点との横方向の距離に基づいて、車両の重心点を目標位置に近づける目標ヨーレイトを算出し、車両のヨーレイトを目標ヨーレイトにさせる目標操舵角を運動方程式を用いて算出してもよい。この実施形態では、車両が目標経路に追従するように車両の横位置を制御することができる。

一実施形態では、走行情報取得部は、車両のヨー角を更に取得し、目標操舵角決定部は、車両の速度が閾値よりも遅い場合には、目標経路上の目標位置と車両の後軸中心点との横方向の距離と、目標ヨー角と車両のヨー角との差とに基づいて目標操舵角を算出してもよい。一般的に、車両のヨーレイトは、低速走行時に外乱の影響を受けやすくなる。この実施形態では、低速走行時にヨーレイトを用いずに、目標位置と車両の後軸中心点との横方向の距離と、車両のヨー角とに基づいて幾何学的に目標操舵角を算出するので、車両の横位置を高い精度で制御することができる。

本発明の一態様及び種々の実施形態によれば、車両の横位置制御の精度を向上させることができる。

一実施形態に係る車両制御装置の機能的構成を示すブロック図である。 動力学モデルを用いた目標操舵角の決定方法を説明するための図である。 幾何学モデルを用いた目標操舵角の決定方法を説明するための図である。 車両制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して種々の実施形態に係る車両制御装置について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととし、同一又は相当の部分に対する重複した説明は省略する。

図１は、一実施形態に係る車両制御装置の機能的構成を示すブロック図である。図１に示す車両制御装置１０は、車両１に搭載され、車両１が目標経路に沿って走行するように車両１の操舵制御を行う。操舵制御とは、車両１の運転者の運転操作によることなく、車両１のステアリングを操舵する制御である。

車両制御装置１０を搭載する車両１は、例えばトラック、トレーラー又はバス等の大型車である。なお、車両１は小型車であってもよい。図１に示すように、車両１は、外部センサ２、内部センサ３、操舵アクチュエータ５、及び、車両制御装置１０を備えている。

外部センサ２は、車両１の周辺情報を取得する。周辺情報には、車両１の周囲に存在する物体の位置、形状及び色彩等に関する情報が含まれる。車両１の周囲に存在する物体としては、他車両、障害物、歩行者、信号機、道路標識及び路面ペイント等が挙げられる。外部センサ２は、例えばカメラであってもよい。

カメラは、例えば車両１のフロントガラスに設けられ、車両１の前方を撮像する。カメラは、単眼カメラであってもよく、ステレオカメラであってもよい。ステレオカメラは、両眼視差を再現するように配置された二つの撮像部を有する。ステレオカメラの撮像情報には、奥行き方向の情報も含まれる。

外部センサ２は、カメラに限定されず、レーダセンサであってもよい。レーダセンサは、電波又は光を車両１の周辺に送信し、物体で反射された電波又は光を受信することで物体を検出する。レーダセンサとしては、例えば、ミリ波レーダ又はライダー（LIDAR：Laser Imaging Detection and Ranging）が用いられる。

内部センサ３は、車両１に関する車両情報を収集する。車両情報には、例えば車両の速度、加速度及びヨーレイトの少なくとも１つが含まれる。すなわち、内部センサ３は、車速センサ、加速度センサ及びヨーレイトセンサの少なくとも１つを含む。

車速センサは、車両１の速度を検出する。車速センサとしては、例えば、車両１の車輪又は車輪と一体に回転するドライブシャフトに設けられ、車輪の回転速度を検出する車輪速センサが用いられる。加速度センサは、車両１の加速度を検出する。加速度センサは、車両１の前後方向の加速度を検出する前後加速度センサと、車両１の左右方向の加速度を検出する横加速度センサとを含んでもよい。ヨーレイトセンサは、車両１の重心の鉛直軸周りのヨーレイト（回転角速度）を検出する。ヨーレイトセンサとしては、例えばジャイロセンサが用いられる。

操舵アクチュエータ５は、車両制御装置１０からの制御信号に応じて電動パワーステアリングシステムの駆動を制御する。電動パワーステアリングシステムの駆動が制御されることにより、車両１の操舵角が制御される。

車両制御装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＣＡＮ（Controller Area Network）通信回路などを有する電子制御ユニットである。車両制御装置１０は、例えばＣＡＮ通信回路を用いて通信するネットワークに接続され、車両１の各構成要素と通信可能に接続される。車両制御装置１０は、例えば、ＣＰＵが出力する信号に基づいて、ＣＡＮ通信回路を動作させてデータを入出力し、データをＲＡＭに記憶し、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＲＡＭにロードされたプログラムを実行することで、後述する各種機能を実現する。車両制御装置１０は、複数の電子制御ユニットから構成されてもよい。

車両制御装置１０は、外部センサ２、内部センサ３及び操舵アクチュエータ５と通信可能に接続されている。車両制御装置１０は、外部センサ２及び内部センサ３から各種情報を受信し、車両１が目標経路に沿って走行するように操舵制御を実行して車両１の横位置を制御する。横位置とは、車両１が走行する走行車線の横方向の位置である。横方向は、車両１の幅方向に平行な方向である。

図１に示すように、車両制御装置１０は、機能的構成として、車線検出部１１、目標経路生成部１２、走行情報取得部１３、車両モデル切替部１４、目標操舵角決定部１５及び制御部１６を備えている。

車線検出部１１は、外部センサ２によって取得された車両１の周辺情報に基づいて車両１の前方の走行車線を検出する。車線検出部１１は、例えばカメラによって撮像された車両１の前方の画像から車両１の走行する道路の左右一対のレーン区画線（例えば白線）を抽出し、当該一対のレーン区画線の間の領域を走行車線として認識する。また、車線検出部１１は、走行車線の形状（例えば曲率）を取得する。なお、車線検出部１１は、ＧＰＳ受信器等によって測定された車両１の現在位置と地図情報とに基づいて走行車線を認識してもよい。

目標経路生成部１２は、車両１の操舵制御の目標となる目標経路を設定する。目標経路は、車両１が走行すべき軌跡である。例えば、目標経路生成部１２は、走行車線の幅方向の中心線に沿った軌跡を目標経路として設定する。例えば、目標経路は、横方向において左右一対のレーン区画線から等距離となる複数の目標位置を結んだ軌跡である。なお、目標経路生成部１２は、走行車線の中心線からずれた位置に目標経路を設定してもよい。例えば、交差点を右左折する場合には、内輪差の影響を考慮して交差点の内側に膨らんだ軌跡に沿って走行することが好ましい。このような場合には、目標経路生成部１２は、走行車線の中心線からずれた位置に目標経路を設定する。なお、車両１を駐車スペースに駐車させる場合には、車両１の現在位置から駐車スペースの内部に向かう軌跡を目標経路として生成してもよい。

走行情報取得部１３は、外部センサ２及び内部センサ３の出力に基づいて、車両１の走行情報を取得する。走行情報には、例えば車両１の速度、ヨー角（方位角）、ヨーレイト、及び、車両１の横位置が含まれる。走行情報取得部１３は、例えば車両１の前方の画像から一対の区画線に対する車両１の横方向の距離に基づいて、車両１の横位置を取得する。

車両モデル切替部１４は、車両１の速度に基づいて目標操舵角の決定に使用する車両モデルを切り替える。車両モデルとは、車両１の操舵角と車両１の運動との関係を表す数理モデルである。車両モデル切替部１４は、車両１の速度が予め設定された閾値よりも速い場合には、動力学モデルを用いて目標操舵角を決定するように目標操舵角決定部１５を制御する。一方、車両１の速度が閾値よりも遅い場合には、幾何学モデルを用いて目標操舵角を決定するように目標操舵角決定部１５を制御する。

目標操舵角決定部１５は、車両１を目標経路に沿って走行させる目標操舵角を決定する。図１に示すように、目標操舵角決定部１５は、第１目標操舵角決定部２１及び第２目標操舵角決定部２２を含んでいる。第１目標操舵角決定部２１及び第２目標操舵角決定部２２は、互いに異なる車両モデルを用いて目標操舵角を決定する。車両モデル切替部１４からの制御信号に応じて、第１目標操舵角決定部２１及び第２目標操舵角決定部２２の一方が目標操舵角を決定する。より具体的には、車両１の速度が閾値よりも速い場合には、第１目標操舵角決定部２１によって目標操舵角が決定され、車両１の速度が閾値よりも遅い場合には、第２目標操舵角決定部２２によって目標操舵角が決定される。

第１目標操舵角決定部２１は、運動方程式によって車両１の運動を表す動力学モデルに基づいて目標操舵角を決定する。上記のように、第１目標操舵角決定部２１は、高速走行時に目標操舵角を決定する。図２を参照して、第１目標操舵角決定部２１による目標操舵角の決定手法について具体的に説明する。図２に示す例では、車両１が走行する道路上に目標経路ＴＣが設定されている。第１目標操舵角決定部２１は、まず車両１の走行情報に基づいて、車両１の前方注視点ＬＰと目標経路ＴＣ上の目標位置ＴＰとの横偏差ｅを取得する。前方注視点ＬＰは、車両１の将来位置であり、より具体的には、車両１の重心点ＣＰから車両１の進行方向に前方注視距離Ｄだけ離れた位置である。横偏差ｅは、車両１の前方注視点ＬＰと目標位置ＴＰとの横方向の距離である。

次に、第１目標操舵角決定部２１は、横偏差ｅに基づいて、車両１が一定の旋回速度で旋回したときに目標位置ＴＰに近づく目標コースＤＣを設定し、車両１を目標コースＤＣに沿って走行させる目標ヨーレイトを算出する。すなわち、車両１は、目標ヨーレイトで重心点ＣＰ周りに旋回することにより一定時間後に目標位置ＴＰに到達する。

次に、第１目標操舵角決定部２１は、車両１のヨーレイトを目標ヨーレイトにする目標操舵角を動力学モデルを用いて算出する。例えば、第１目標操舵角決定部２１は、車両１の動力学的な挙動を表す公知の運動方程式を解くことにより、目標ヨーレイトに対応する目標操舵角を算出する。より具体的には、重心点ＣＰを基準とした場合に車両１の目標ヨーレイトγ_ｔと目標操舵角δ_ｔとの関係は、下記式（１）のように表される。

なお、式（１）において、Ｋ_ｓはスタビリティファクタを表しており、ｌはホイールベースを表しており、Ｖは車速を表している。

式（１）は、車両１の動作を動力学的に表す車両モデルである。第１目標操舵角決定部２１は、式（１）に従って目標ヨーレイトγ_ｔに対応する目標操舵角δ_ｔを算出し、算出した目標操舵角δ_ｔを制御部１６に出力する。

一方、低速走行時には、第２目標操舵角決定部２２が目標操舵角を決定する。例えば、車両１が交差点で右左折する場合や車両１を駐車スペースに駐車する場合に、第２目標操舵角決定部２２によって目標操舵角が決定される。第２目標操舵角決定部２２は、幾何学的関係によって車両１の運動を表す幾何学モデルに基づいて目標操舵角を決定する。図３を参照して、第２目標操舵角決定部２２による目標操舵角の決定手法について具体的に説明する。図３では、車両１の左右一対の前輪及び後輪が左右の車輪の中心位置に配置されていると仮定してモデル化した二輪モデルに基づいて、車両１を模式的に表している。第２目標操舵角決定部２２は、まず車両１の走行情報に基づいて、目標経路ＴＣ上の目標位置ＴＰと車両１の後軸中心点ＲＰとの横偏差ｙを取得する。後軸中心点ＲＰは、車両１の左右一対の後輪の中心位置である。横偏差ｙは、車両１の後軸中心点ＲＰと目標位置ＴＰとの横方向の距離である。

次に、第２目標操舵角決定部２２は、目標ヨー角と車両１のヨー角の偏差ψを取得する。目標ヨー角は、基準方向に対する目標経路ＴＣの目標位置ＴＰに接する接線の方位角である。言い換えると、目標ヨー角は、目標経路ＴＣに沿って走行する仮想的な車両Ｖ１の理想的なヨー角を表している。そして、第２目標操舵角決定部２２は、横偏差ｙ及びヨー角の偏差ψに基づいて、車両１の後軸中心点ＲＰを目標経路ＴＣに追従させる目標操舵角を決定する。例えば、第２目標操舵角決定部２２は、下記式（２）に基づいて、目標操舵角δ_ｔを算出する。

なお、式（２）において、Ｋ_ｒは目標位置ＴＰにおける目標経路ＴＣの曲率を表しており、ｇ_１，ｇ_２はゲインを表している。ゲインｇ_１，ｇ_２は、予め設定される値である。第２目標操舵角決定部２２は、式（２）に従って目標操舵角δ_ｔを算出する。第１目標操舵角決定部２１は、算出された目標操舵角δ_ｔを制御部１６に出力する。

上記のように、第２目標操舵角決定部２２は、運動方程式を用いることなく車両１と目標経路ＴＣの幾何学的関係に基づいて、目標操舵角を決定する。低速走行時には、車速センサによって測定される車速は外乱の影響を受けやすいので、動力学モデルを用いて目標操舵角を決定すると、車両の横位置制御の精度が低下することがある。また、制御目標値である目標ヨーレイトが、外乱成分に対して相対的に小さい値となり高精度な制御が難しい。これに対し、幾何学モデルを用いた場合には、車速を用いず、車両１と目標経路ＴＣとの幾何学的な位置関係のみに基づいて、ヨーレイトを介さずに目標操舵角を算出するので、低速走行時の横位置制御の精度を高めることができる。

制御部１６は、車両１の操舵角が目標操舵角決定部１５によって決定された目標操舵角になるように操舵アクチュエータ５を制御する。例えば、制御部１６は、車両１の速度が閾値よりも速い場合には、車両１の操舵角が第１目標操舵角決定部２１によって決定された目標操舵角になるように車両１を制御する。これにより、車両１の重心点ＣＰが目標経路ＴＣに追従するように車両１の横位置が制御される。一方、車両１の速度が閾値よりも遅い場合には、制御部１６は、車両１の操舵角が第２目標操舵角決定部２２によって決定された目標操舵角になるように車両１を制御する。これにより、車両１の後軸中心点ＲＰが目標経路に追従するように車両１の横位置が制御される。

以下、図４を参照して、車両制御装置１０によって実行される処理の流れについて説明する。図４は、車両制御装置１０の処理の流れを示すフローチャートである。

まず、車両制御装置１０の車線検出部１１は、例えば外部センサ２の出力に基づいて車両１が走行する走行車線を検出する（ステップＳＴ１）。次に、目標経路生成部１２は、車両１の操舵制御の目標となる目標経路ＴＣを生成する（ステップＳＴ２）。例えば、目標経路生成部１２は、車線検出部１１によって検出された走行車線の中心線に沿った軌跡を目標経路ＴＣとして設定する。

次に、走行情報取得部１３は、車両１の走行情報を取得する（ステップＳＴ３）。例えば、走行情報取得部１３は、車両１の横位置、車両１の速度、ヨー角及びヨーレイト等を走行情報として取得する。

次に、車両モデル切替部１４は、車両１の速度が閾値よりも速いか否かを判定する（ステップＳＴ４）。車両１の速度が閾値よりも速いと判定された場合には、第１目標操舵角決定部２１が、動力学モデルに基づいて目標操舵角を決定する（ステップＳＴ５）。例えば、第１目標操舵角決定部２１は、図２に示すように、目標経路ＴＣ上の目標位置ＴＰと前方注視点ＬＰとの横偏差ｅに基づいて、車両１の重心点ＣＰを目標経路ＴＣに追従させる目標ヨーレイトを算出する。そして、第１目標操舵角決定部２１は、車両１のヨーレイトを目標ヨーレイトにする目標操舵角を運動方程式を用いて算出する。

一方、車両１の速度が閾値よりも遅いと判定された場合には、第２目標操舵角決定部２２が、幾何学モデルに基づいて目標操舵角を決定する（ステップＳＴ６）。例えば、第２目標操舵角決定部２２は、図３に示すように、目標経路ＴＣ上の目標位置ＴＰと車両１の後軸中心点ＲＰとの横偏差ｙと、目標ヨー角と車両１のヨー角との偏差ψとに基づいて、目標操舵角を算出する。

次に、制御部１６は、車両１の操舵角が第１目標操舵角決定部２１又は第２目標操舵角決定部２２によって決定された目標操舵角になるように操舵アクチュエータ５を制御する（ステップＳＴ７）。例えば、車両１の速度が閾値よりも速い場合には、制御部１６は、車両１の操舵角が第１目標操舵角決定部２１によって決定された目標操舵角になるように車両１を制御し、車両１の速度が閾値よりも遅い場合には、制御部１６は、車両１の操舵角が第２目標操舵角決定部２２によって決定された目標操舵角になるように車両１を制御する。車両１の操舵角を目標操舵角にすることにより、車両１が目標経路ＴＣに沿って走行する。

以上説明したように、車両制御装置１０では、車両１の速度が閾値よりも速い場合には、高速走行時に高い精度で車両の横位置を制御することが可能な動力学モデルを用いて車両の目標操舵角を決定する。一方、車両１の速度が閾値よりも遅い場合には、低速走行時に高い精度で車両の横位置を制御することが可能な幾何学モデルに基づいて車両の目標操舵角を決定している。上記のように、車両１の速度に応じて使用する車両モデルを切り替えることにより、車両１の速度に関わらず、車両の横位置を高い精度で制御することができる。

以上、種々の実施形態に係る車両制御装置１０について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形態様を構成可能である。

１…車両、１０…車両制御装置、１３…走行情報取得部、１５…目標操舵角決定部、１６…制御部、ＣＰ…重心点、ＬＰ…前方注視点、ＲＰ…後軸中心点、ＴＣ…目標経路、ＴＰ…目標位置。

Claims (3)

1. 予め設定された目標経路に沿って車両が走行するように前記車両の操舵角を制御する車両制御装置であって、
   前記車両の速度を取得する走行情報取得部と、
   前記車両を前記目標経路に沿って走行させる目標操舵角を決定する目標操舵角決定部と、
   前記目標操舵角になるように前記車両の操舵角を制御する制御部と、
   を備え、
   前記目標操舵角決定部は、前記車両の速度が閾値よりも速い場合には、運動方程式によって前記車両の運動を表す動力学モデルに基づいて前記車両の重心点を前記目標経路に追従させる操舵角を前記目標操舵角として決定し、前記車両の速度が前記閾値よりも遅い場合には、幾何学的関係によって前記車両の運動を表す幾何学モデルに基づいて前記車両の後軸中心点を前記目標経路に追従させる操舵角を目標操舵角として決定する、車両制御装置。
2. 前記目標操舵角決定部は、前記車両の速度が閾値よりも速い場合には、前記目標経路上の目標位置と前記車両の前方注視点との横方向の距離に基づいて、前記車両の重心点を前記目標位置に近づける目標ヨーレイトを算出し、前記車両のヨーレイトを前記目標ヨーレイトにさせる前記目標操舵角を前記運動方程式を用いて算出する、請求項１に記載の車両制御装置。
3. 前記走行情報取得部は、前記車両のヨー角を更に取得し、
   前記目標操舵角決定部は、前記車両の速度が前記閾値よりも遅い場合には、前記目標経路上の目標位置と前記車両の前記後軸中心点との横方向の距離と、目標ヨー角と前記車両のヨー角との偏差とに基づいて前記目標操舵角を算出する、請求項１又は２に記載の車両制御装置。
   
   

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