JP2024520376A - 大型の車両のための適合性のある経路追従アルゴリズム - Google Patents

Abstract

基準経路（Ｐ）を追従するように大型の車両を制御するための方法であって、経路に沿った目的地点を特定することであって、目的地点は、経路付近の車両位置からの操舵の基準として使用され、車両位置に関連付けられた基準位置から測定されたプレビュー距離だけ経路に沿って離れている、目的地点を特定することと、基準経路に関連付けられた第１の流れ場の方向ｗ１を特定することと、基準経路からの車両位置の横方向偏位が、該横方向偏位の閾値を超えるか否かを判定することと、横方向偏位が、該横方向偏位の閾値を超える場合は、第１の流れ場の方向ｗ１に従って車両を制御すること、超えない場合は、基準経路と略平行なパイプ流れの方向ｗｐｉｐｅに従って、または最適化されたベース経路（１３０２）に従って、車両を制御することと、を含む。【選択図】図１３

Description

本開示は、主に、トラック及びセミトレーラ車両などの大型の車両に関するが、本明細書に開示される技術は、他の種類の車両にも使用することができる。本開示は、具体的には、車両制御に使用する、プレビュー距離または先読み距離に基づく経路追従方法に関する。

自動運転車両による自動運転（ＡＤ）を制御するための先進運転支援システム（ＡＤＡＳ）及び方法は、通常、何らかの形の経路追従アルゴリズムに基づいて車両制御を行う。制御システムは、車両をある場所から別の場所にナビゲートするために利用可能なルートを示すマップデータを伴って、例えば現在の輸送ミッションに基づいて、車両が追従するべき所望経路を最初に特定する。

経路追従とは、追従するべき特定の基準経路に対して、各時点で車両が遵守するべき車両速度及び操舵を特定する方法に関するプロセスである。文献には多くの異なる種類の利用可能な経路追従アルゴリズムが存在しているが、それぞれのアルゴリズムが、それぞれの利点及び欠点を伴う。

純粋な追跡（Ｐｕｒｅ ｐｕｒｓｕｉｔ）は、比較的低い複雑性で実施可能な、広く知られた経路追従アルゴリズムであり、例えば、１９９２、Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ ＰＡ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ＩＮＳＴ、Ｃａｒｎｅｇｉｅ－Ｍｅｌｌｏｎ大学、Ｒ．Ｃ．Ｃｏｕｌｔｅｒによる「Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｒｅ ｐｕｒｓｕｉｔ ｐａｔｈ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ」に説明されている。このアルゴリズムは、操舵角を含む車両制御の集合を計算し、車両は、これに従って、その現在位置から、追従するべき経路に沿って、所定の「プレビュー」距離だけ離れた地点に向かって移動する。純粋な追跡方法により、車両は、名前の通り、経路に沿って車両からプレビュー距離だけ離れた地点を「追求」する。

ベクトル場誘導（Ｖｅｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｇｕｉｄａｎｃｅ）は、別の経路追従アルゴリズムであり、これは、代わりにベクトル場に基づいて車両制御を行い、ベクトル場もプレビュー距離または先読みパラメータに基づいて特定される。ベクトル場誘導方法は、例えば、Ｐｒｏｃ．Ｉｎｓｔ．Ｍｅｃｈ．Ｅｎｇ．Ｐａｒｔ Ｄ、第２１６巻、３２９～３４７頁、２００２、「Ａｎ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｄｒｉｖｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ Ｖｅｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄｓ」において、Ｇｏｒｄｏｎ、Ｂｅｓｔ、及びＤｉｘｏｎにより考察された。

長い連結車両の運動を制御するための既存の課題として、経路追跡の精度及び安定性があり、そのため、自動運転アプリケーションのほとんどが低い速度に制限されている。より高い速度の場合、より長い連結車両は、横方向不安定性及び横転の問題を、本質的により生じやすくなる。広く知られている純粋な追跡経路の追従では、多くの場合、様々な車両速度及び道路曲率を処理するためにゲインスケジューリングが使用されるが、ゲインの選択は、容易なタスクではなく、他の連結車両に引き継ぐことはできない。他のモデルベースの運動計画及び制御方法は、内部車両モデルを組み込む必要があり、内部車両モデル自体が、モデルの不正確さ及び計算コストを導入し、多ユニット車両では、このようなコストは、パフォーマンスの低下をもたらし得る。利用可能な手法では、予め計画された経路の追従を目標とすることが一般的であり、車線幅ならびに交通及び障害物への接近に関連付けられた利用可能な横方向の操縦の余地は、無視される。

本開示の目的は、経路追従の動作中に大型の車両を制御するための方法及び制御ユニットを提供し、よって、制御ユニットが、許容マージンを含めることにより車両の経路追跡及び横方向の安定性を向上させることである。さらなる目的は、制御目標を緩和して利用可能な横方向の操縦の余地を活用することにより、ピーク時の横方向加速度及び横方向ジャークを低減させることである。本方法のさらなる目的は、車上でリアルタイムに動作できること、すなわち困難な計算時間の制約を管理できることである。制御ユニットのさらなる目的は、ゲイン及び／またはコントローラを切り替えることなく、広範囲の速度及び道路曲率を処理することである。さらなる目的は、車両モデルとは無関係な制御ユニットの設計を提案することであり、これにより、車両をモデル化する際になされた仮定（例えば線形車両モデルにおける小さな角度の仮定）から生じ得る問題が排除される。また、さらなる目的は、連結車両のアクスル及び／または車両ユニットをより少なくまたはより多く収容することができるように、簡単に大きさを変更可能な制御ユニットを提供することである。

これらの目的の少なくともいくつかは、独立請求項により定義される本発明によって達成される。

基準経路を追従するように大型の車両を制御するための方法が提供される。本方法は、車両が追従するべき基準経路を取得することと、経路に沿った目的地点（Ｇｏａｌ ｐｏｉｎｔ）を特定することであって、目的地点は、経路付近の車両位置からの操舵の基準として使用され、車両位置に関連付けられた基準位置から測定されたプレビュー距離だけ経路に沿って離れている、目的地点を特定することと、目的地点に基づいて、基準経路に関連付けられた第１の流れ場の方向ｗ_１を特定することと、基準経路からの車両位置の横方向偏位（ｌａｔｅｒａｌ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）ｙが、該横方向偏位の閾値ｙ_ｍａｘを超えるかどうかを判定することと、横方向偏位が、該横方向偏位の閾値を超える場合は、第１の流れ場の方向ｗ_１に従って車両を制御すること、超えない場合は、基準経路と略平行なパイプ流れ（ｐｉｐｅ ｆｌｏｗ）の方向ｗ_ｐｉｐｅに従って、または最適化されたベース経路に従って、車両を制御することと、を含む。

したがって、基準経路は、車両及び所定の道路境界の知識を使用して定義され、次いで、基準経路を取り囲む概念的な「パイプ」（または境界領域）を形成するように拡張される。数学的に、パイプは、ｙ≦ｙ_ｍａｘに対応し、ｙは、符号のない横方向偏位である。基準経路の拡張により、車線境界または障害物との許容範囲のクリアランスを維持しながら、利用可能な横方向の操縦の余地（経路追跡公差）の使用をすることが可能となる。基準経路は、例えば選択された車線の中心線として、単純に定義され得るが、パイプ内の車両運動に役立つ適合または最適化も利用可能である。ＡＦＧ（人工流れ誘導）を適用して、（ａ）車両に定められた追跡点がパイプ内に捕捉される、または（ｂ）パイプ内の運動が円滑化あるいは最適化される、またはこれら両方が行われる。これにより、誘導問題は簡素化され、許容範囲の横方向変位を維持しながら、横方向の制御要求（例えばジャーク、ピーク時の加速度振幅、及び制御帯域幅）は低減される。計算需要は低く、本方法は、軽量車両、固定型トラック、標準的な連結車両、及びより長い連結重量車両にも等しく適用可能である。

態様によれば、本方法は、また、縦方向速度が増加するとプレビュー距離が増加するように、車両の縦方向速度に少なくとも部分的に基づいてプレビュー距離を特定することを含む。速度に対するこの付加的な依存性により、車両による経路追従行動は、さらに向上する。

態様によれば、本方法は、さらに、第１のチューニングパラメータにも基づいてプレビュー距離を特定することを含み、第１のチューニングパラメータが増加すると、経路を追従するように車両を制御するための制御労力（ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｆｆｏｒｔ）は増加する。このチューニングパラメータを使用して、車両行動はカスタマイズされ得る。車両経路追従行動は、様々な車両の種類に合わせて細かくチューニングされ得る。また、経路追従行動は、例えば車両負荷に応じて、調整され得る。第１のチューニングパラメータは、例えば基準経路の曲率に応じて、調整され得る。このようにして、カーブにおける車両経路追従は、経路追従行動が向上するように調整され得る。

開示される方法は、さらに、基準位置における基準経路に関連付けられた求心性の横方向加速度成分を特定することと、求心性の横方向加速度成分に基づいて、第１のチューニングパラメータを調整することとを、含み得る。より高い精度が求められるときは常に、ａ＝ｆ（ｋ）の形の方程式（式中、ｋは基準経路の任意の曲率測定値であり、ｆ（ｋ）は増加関数であり得る）に従って、第１のチューニングパラメータａを適合させることにより、より多くの制御労力が経路追従に有利に適用される。

プレビュー距離は、例えば次のように特定され得る。
式中、Ｕは、車両の縦方向速度であり、ｙは、横方向偏位であり、ａは、第１のチューニングパラメータであり、ｂは、第２のチューニングパラメータである。第２のチューニングパラメータは、負ではない実数のうちの任意の実数であり得る。ｙには符号がなく、よって負ではない数量（絶対値）であることを思い出されたい。この比較的単純な式は、限られた計算労力でリアルタイムに評価できるため、有利である。例えば次の式に従って、プレビュー距離を最小プレビュー距離Ｌ_０に制限することにより、さらなる利点が達成され得る。
上記と同様に、式中、Ｕは、車両の縦方向速度であり、ｙは、横方向偏位であり、ａは、第１のチューニングパラメータであり、ｂ≧０は、第２のチューニングパラメータであり、Ｌ_０は、最小プレビュー距離である。パラメータｂは、調整パラメータであり、基準経路に近付くように行動を修正するために使用され得る。もちろん、次のように、１つ以上のパラメータを含む他の式ｆ_０（・）を使用して、プレビュー距離を特定することもできる。

本明細書で開示される方法は、有利なことに、ベクトル場経路追従方法と組み合わせることができ、人工流れ誘導方法は、ベクトル場経路追従方法の部分集合を表す。直線の基準経路の場合、ベクトル場は、目的地点（またはプレビュー地点）を直接指す。より一般的に、カーブでは、第１の流れ場の方向は、任意で次のように特定され得る。
式中、ｔ_１は、基準位置で評価された基準経路に対する単位長接線ベクトルであり、ｔ_２は、目的地点で評価された基準経路に対する単位長接線ベクトルであり、ｔ_３は、車両位置から目的地点に向かって配向された単位長ベクトルであり、角度θは、２つの接線ベクトルｔ_１とｔ_２の間の角度の半分である。これにより、コーナリング時の車両制御は向上する。本開示の後のセクションでは、表現ｗ_１は、第１の流れ場と称される。ベクトルｔ_２及びｔ_３を計算するために、任意の最小プレビュー距離Ｌ_０を適用することなく、計算されたプレビュー距離（Ｄ_ｐ）に従って、目的地点が特定されることが好ましい。

本明細書で開示される方法は、有利なことに、例えば、基準位置が車両位置に等しい純粋な追跡ベースの経路追従アルゴリズム、または基準位置が、車両位置を通り基準位置で経路に直交する直線の経路上交差位置である、ベクトル場誘導ベースの経路追従アルゴリズムと、組み合わせられる。本明細書で開示される経路追従方法は、有利なことに、車線維持支援（ＬＫＡ：Ｌａｎｅ Ｋｅｅｐ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）機能、半自動運転、及び／または自動運転を含む車両アプリケーションでも使用され得る。

本明細書では、前述の利点に関連付けられた車両、コンピュータ可読媒体、及びコンピュータプログラム製品も開示される。

一般に、特許請求の範囲で使用されるすべての用語は、本明細書で明示的に別段の定義がない限り、技術分野における通常の意味に従って解釈されるものとする。「（ａ／ａｎ／ｔｈｅ）要素、機器、構成要素、手段、ステップなど」へのすべての言及は、明示的に別段の記載がない限り、要素、機器、構成要素、手段、ステップなどの少なくとも１つの例を指すものとして、オープンに解釈されるものとする。本明細書に開示される任意の方法のステップは、明示的に記載されない限り、開示された順序で正確に行われる必要はない。本発明のさらなる特徴及び利点は、添付の特許請求の範囲及び以下の説明を検討すると明らかになるであろう。本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の異なる特徴を組み合わせて、以下に説明される実施形態以外の実施形態を作成できることが、当業者には認識されよう。

例として挙げられる本発明の実施形態のより詳細な説明が、添付図面を参照して以下に続く。

例示的な大型の車両を概略的に示す図である。 車両運動制御システムを示す図である。 純粋な追跡ベース方法による経路追従を示す図である。 ベクトル誘導ベース方法による経路追従を示す図である。 異なるプレビュー距離設定に対する経路追従行動を例示する図である。 車両制御機能アーキテクチャを概略的に示す図である。 コーナリング中の大型の車両を示す図である。 カーブ経路の経路追従を示す図である。 本方法を示すフローチャートである。 制御ユニットを概略的に示す図である。 例示的なコンピュータプログラム製品を示す図である。 境界領域に囲まれた基準経路を、基準経路Ｐの平面で示す図である。 境界領域に囲まれた基準経路を、法平面で示す図である。 境界領域（または「パイプ」）内での車両の動きを示す図である。 直交座標から曲線座標（または軌道座標、または経路座標）への変換を示す図である。 道路の直線区画における流れパターンのプロットであり、Ａは、パイプ効果のない状態を示し、Ｂは、車両が許容マージン内にあるときは制御労力を低減させる、パイプ内自由運動を示す。 流れ歪曲関数の関数ｆ（ｓ１）及びｇ（ｓ２）のプロットである。 基準経路付近の流れ場の直交座標プロットである。 基準経路付近の流れ場の曲線座標プロットである。

ここで、本発明の特定の態様を示す添付図面を参照しながら、本発明はより完全に以下に説明される。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化され得、本明細書に明記される実施形態及び態様に限定されるものとして解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的及び完全なものとなり、本発明の範囲が当業者に十分に伝わるように、例として提供される。説明全体を通して、同様の番号は、同様の要素を指す。

本明細書に説明され、図面に示される実施形態に、本発明は限定されないことが理解されるべきであり、むしろ、添付の特許請求の範囲内で多くの変更及び修正が行われてもよいことが、当業者には認識されよう。

図１は、本明細書で開示される技術を有利に適用できる貨物輸送用の例示的な車両１００を示す。車両１００は、既知の方法でトレーラユニット１２０を牽引するように構成されたトラックまたは牽引車両１１０を含む。図１の例示的なトラクタ１１０は、経路追従及び車両運動管理などの様々な車両制御機能を実行するように構成された車両制御ユニット（ＶＣＵ）１３０を備える。トレーラユニット１２０も任意でＶＣＵ１４０を備え得る。車両１００は、任意で、無線リンクを介してリモートサーバ１５０に接続され、リモートサーバ１５０も制御ユニットを備える。本明細書で開示される技術は、制御ユニット１３０、１４０、１５０のうちのいずれかにより、または１つ以上の制御ユニットの組み合わせにより、実行され得る。オンボードのＶＣＵ１３０、１４０は、また、リモートサーバ１５０によりパラメータ化され得る。

図２では、パワーステアリング装置２３０、及び電気機械（ＥＭ）などの推進デバイス２２０をここでは含むいくつかの例示的な運動支援デバイス（ＭＳＤ）により、例えばトラクタ１１０上のホイール２１０を制御する機能２００が概略的に示される。パワーステアリング装置２３０及び推進デバイス２２０は、１つ以上のＭＳＤ制御ユニット２４０により制御され得るアクチュエータの例である。

交通状況管理（ＴＳＭ）機能２７０は、例えば１～１０秒程度の計画対象期間で、運転動作を計画する。このタイムフレームは、例えば車両１００がカーブを通過するのにかかる時間に対応する。ＴＳＭが計画し実行する車両操縦は、加速度プロファイル及び曲率プロファイルと関連付けられ得、これらは、所与の操縦での所望の車両速度及び旋回を表す。ＴＳＭは、車両運動管理（ＶＭＭ）機能２５０に対し所望の加速度プロファイルａ_ｒｅｑ及び曲率プロファイルｃ_ｒｅｑを継続的に要求し、ＶＭＭ機能２５０は、ＴＳＭからの要求を満たすように安全かつ堅調な方法で力配分を行い、様々なＭＳＤに要求を伝達する。ＶＭＭ機能２５０は、力生成及びＭＳＤ連携の両方を管理し、すなわちＶＭＭ機能２５０は、ＴＳＭ機能２７０からの要求を満たすために、例えばＴＳＭにより要求された要求加速度プロファイルに従って車両を加速させるために、及び／または同様にＴＳＭにより要求された車両による特定の曲率運動を生じるために、車両ユニットで何の力が求められているかを特定する。力には、例えば、ヨーモーメントＭ_ｚ、縦方向力Ｆ_ｘ、及び横方向力Ｆ_ｙ、ならびに異なるホイールに加えられる異なる種類のトルクが挙げられ得る。

ＭＳＤ制御ユニット２４０、ＶＭＭ機能２５０、及びＴＳＭ機能２７０のすべては、車両制御の基礎となり得る様々な車載センサ２６０からのセンサデータに、アクセスできる。これらのセンサには、例えば、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機、視覚ベースセンサ、ホイール速度センサ、レーダセンサ、及び／またはライダセンサが含まれ得る。センサは、とりわけ、基準経路に対する車両位置を特定するように構成されている。

図３及び図４は、本明細書に開示される技術のうちの少なくともいくつかが有利に使用され得る、例示的な２つの経路追従方法を示す。

図３は、純粋な追跡アルゴリズムが、計画経路または基準経路Ｐを追従するように車両を制御し得る方法の実施例３００を示す。車両は、基準経路Ｐから横方向偏位ｙにある車両位置ｘに位置する。基準経路からの横方向偏位は、多数の様々な方法で特定され得ることが理解されよう。本明細書で用いられる定義では、図３に示されるように、基準経路Ｐに対して直交する線ｙに沿った、車両位置ｘから基準経路Ｐまでの距離を指す。本明細書に開示される一般的な概念は、当然ながら、横方向偏位の他の定義にも適用可能である。

実施例３００では、車両はホイールベース長Ｌを有する。純粋な追跡手法の背後にある一般的な構想では、車両をその現在位置ｘから基準経路Ｐ上の目的地点Ｇへ動かす曲率が計算される。目的地点と現在車両位置ｘの両方を通る半径Ｒの円を定義することにより、目的地点は特定される。次に車両は、図３に示されるように、この円に関して特定された操舵角で制御される。純粋な追跡アルゴリズムの行動において、目的地点Ｇの選択は重要な役割を果たす。車両位置ｘから目的地点までの距離が常にプレビュー距離Ｄｐと等しくなるように、目的地点は選択される。（あるいは、図７に示されるように、プレビュー距離Ｄ_ｐは、車両位置ｘに最も近い経路Ｐ上の地点である基準位置Ｇ_０を始点として、経路Ｐに沿って測定されてもよい。）

この種類の純粋な追跡アルゴリズムに関するさらなる詳細は、１９９２、Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ ＰＡ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ＩＮＳＴ、Ｃａｒｎｅｇｉｅ－Ｍｅｌｌｏｎ大学、Ｒ．Ｃ．Ｃｏｕｌｔｅｒによる「Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｒｅ ｐｕｒｓｕｉｔ ｐａｔｈ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ」、ならびに２０１４、ＩＥＥＥ、第１４回Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ， Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＩＣＣＡＳ ２０１４）、Ｐａｒｋ、Ｍｙｕｎｇ‐Ｗｏｏｋ、Ｓａｎｇ‐Ｗｏｏ Ｌｅｅ、及びＷｏｏ‐Ｙｏｎｇ Ｈａｎによる「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｌａｔｅｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｖｅｈｉｃｌｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｐｕｒｅ ｐｕｒｓｕｉｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ」に記載されている。

上記のように、このようなプレビュー方法は、基準経路からの小さな偏位には鈍感であり、例えば直線からカーブへの曲率遷移では追跡性能は損なわれ、基準経路を追従することが目標である場合でも、車両はこれらの遷移で「曲がり角カッティング走行」を行う。上記に挙げられたＰ_ａｒｋ（２０１４）においては、横方向位置のフィードバック誤差に対し、ＰＩＤコントローラが導入された。この付加的なコントローラは、追跡コントローラと平行して作動する。

ＰＩＤコントローラは、基準経路付近の弱い動作に対処するが、横方向オフセットが大きい場合には大きな要求を生じ得るため、揺動の発展を回避するためには慎重なパラメータチューニングが必要となる。このような課題を克服しようとする試みとして、ゲインスケジューリングが使用され得るが、これらの方法はアドホックであり、コントローラは、より複雑なものとなり、その性能は保証することができない。

別の手法では、リアルタイムで最適化を実行することにより、制約、実施基準、及び制御労力の均一性を考慮した最適制御が行われる。モデル予測制御（ＭＰＣ）または非線形プログラミング（ＮＰ）などの技術を使用して、必要な操舵動作が計算される。基本的に、これらの技術は、プレビュー制御の制約に対処し得る。しかし、最適制御方法には、以下のような特有の問題がある。
（ａ）計算コスト：プレビュー制御の単純な幾何学的アルゴリズムとは対照的に、最適制御方法は、制約の存在下で関数を最小化するために、計算量の多いアルゴリズム、通常は非線形プログラミング（ＮＰ）または二次計画法（ＱＰ）を使用する。
（ｂ）重み付けパラメータの選択：最適制御（通常は二次計画法を使用）の基礎的コスト関数には、通常、複数の重み付け制約が課される。高次システムの場合、数が多くなり得、これらもさらに「チューニング」または「最適化」されなければならない。
（ｃ）反復及び収束：ＮＰ方法及びＱＰ方法には保証された収束回数がないため、リアルタイムのアプリケーションでは、利用可能な時間内に方法が応答を生成しない可能性がある。

パイプ内のジャークを最小化する問題を解くために、Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ５２．１０（２０１４）：１３０４‐１３３２、Ｂｅｒｎｔｏｒｐ、Ｋａｒｌ、ｅｔ ａｌ．による「Ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍａｌ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｓａｆｅｔｙ‐ｃｒｉｔｉｃａｌ ｒｏａｄ‐ｖｅｈｉｃｌｅ ｍａｎｏｅｕｖｒｅｓ」で行われるように、この問題を、最短時間最適化問題として定式化することができる。最適化問題を解くことによる経路生成は、Ｂｅｒｎｔｏｒｐ（２０１４）の図６で見ることができる。ここでは、車両は非常に鋭いカーブを進行しており、最適化により、曲線の頂点付近の曲率を低減させる解が見つけられる。より大きい幅の道路境界にもかかわらず、パイプ内の流れを生成するこのような適合及び最適化の定式化を使用して、類推を引き出すことができる。

本来の鋭利な旋回を滑らかにした円滑経路を生成する別の方法は、ｎ次多項式関数
ｐ（ｓ）＝ａ_０＋ａ_１ｓ＋ａ_２ｓ ^２＋・・・＋ａ_ｎｓ ^ｎ
を、軌道中心線（基準経路として作用する）にフィッティングすることによる。具体的には、多項式は、軌道中心線上に存在する有限数の事前選択地点ｘ_０、・・・、ｘ_ｋ－１に対し、フィッティングされ得る。数学的には、多項式フィッティングは、事前選択地点からの合計偏位Ｓのノルム（ここでは２ノルム）の最小化として表現され得る。
式中、ｓ_ｉは、例えば
に設定され得る。最小値が得られたａ_０、・・・、ａ_ｎの値は、フィッティングを行う多項式の係数となる。多項式の次数ｎは、例えば１０以下、例えば５以下、例えば３など、低くあることが好ましい。事前選択地点ｘ_０、・・・、ｘ_ｋ－１は、基準経路Ｐの長さＤ_ｏｐｔ＞０にわたり分散され得る。これにより、最小化では、Ｄ_ｏｐｔに対応する非ゼロの前方対象範囲まで延在する車両経路間で探索が行われる。

経路を円滑化するために、他方では、曲率ベクトルの二次導関数を最小化するように最適化問題が定式化され得る。二次導関数は、経路長ｓに関する。二次導関数は、次のような二次差分行列で近似され得る。
すなわち、
このような問題は、オフラインで解くことができ、パイプの幾何学的形状が事前に分かるのであれば、多項式係数が格納され得る。パッチングされた複数のクロソイドセグメントとして経路が近似される特定の事例では、曲率導関数のｌ^０ノルム、すなわち非ゼロ要素の数に、最小化を適用することが効率的である。これにより、個々のクロソイドセグメントの数、よってパッチング箇所の数が、最小化される。

本発明は、人工流れ誘導の計算の単純さと、限られた関心領域（パイプ）内の流れの適合または最適化の柔軟性とを組み合わせ、上記の（ａ）～（ｃ）で言及された欠点があったとしても、悪影響は少ない。

図４は、ベクトル場誘導ベースの経路追従方法の実施例４００を示す。この方法では、ベクトル場４１０が生成され、車両は、現在の車両位置ｘでのベクトルｗに従って制御される。各ベクトルｗが位置ｘから基準経路Ｐ上の各目的地点Ｇを向くように、各ベクトルｗが特定される。先と同様に、目的地点は、プレビュー距離Ｄ_ｐに基づいて特定されるが、ここでは、プレビュー距離は、基準経路Ｐ上の基準位置Ｇ_０から基準経路Ｐに沿って測定された距離である。図４に示されるように、この基準位置Ｇ_０は、基準位置Ｇ_０で経路Ｐと直交し、かつ車両位置ｘも通る直線が、経路Ｐ上で交差する位置である。ベクトル場誘導ベース方法は、Ｐｒｏｃ．Ｉｎｓｔ．Ｍｅｃｈ．Ｅｎｇ．Ｐａｒｔ Ｄ、第２１６巻、３２９～３４７頁（２００２）、「Ａｎ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｄｒｉｖｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ Ｖｅｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄｓ」において、Ｇｏｒｄｏｎ、Ｂｅｓｔ、及びＤｉｘｏｎにより考察された。ベクトル場ベース方法は、Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｙｎａｍｉｃｓ、第５７巻（２０１９）、第８号、１０９０～１１０７頁、ＤＯＩ：１０．１０８０／００４２３１１４．２０１８．１５１２７１５、Ｍｅｎｇｘｕａｎ Ｓｏｎｇ、Ｎａｎ Ｗａｎｇ、Ｔｉｍｏｔｈｙ Ｇｏｒｄｏｎ、及びＪｕｎ Ｗａｎｇによる「Ｆｌｏｗ‐ｆｉｅｌｄ ｇｕｉｄｅｄ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｒｉｇｉｄ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｇｒｏｕｎｄ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｉｎ ｌｏｗ‐ｓｐｅｅｄ ｍａｎｏｅｕｖｒｉｎｇ」でも考察されている。ベクトル場ベース誘導に関するさらなるいくつかの詳細が、Ｓｅｍｓａｒ‐Ｋａｚｅｒｏｏｎｉ、Ｅｌｈａｍ、ｅｔ ａｌ．により、ＩＦＡＣ‐ＰａｐｅｒｓＯｎＬｉｎｅ ５０．１（２０１７）、１５００６‐１５０１１頁、「Ｍｕｌｔｉ‐ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｐｌａｔｏｏｎ ｍａｎｅｕｖｅｒｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｉｅｌｄｓ」に記載されている。

ベクトル場誘導ベースの経路追従方法の少し進化したバージョンが、図７に関連して下記で論述される。

純粋な追跡ベースの経路追従方法及びベクトル場ベースの経路追従方法は両方とも、時には、「先読み距離」とも称されるプレビュー距離Ｄ_ｐに依存する。プレビュー距離は、目的地点が車両の位置から基準経路Ｐに沿ってどのくらい離れているかに関する。直観的に、短いプレビュー距離Ｄ_ｐでは、横方向偏位ｙをより迅速に低減させるために、より多くの制御労力、すなわちより強力な操舵制御動作が生じる。代わりに、より長いプレビュー距離Ｄ_ｐでは、より円滑で緩徐な制御動作が生じ、これに伴い制御労力は低減される。より長いプレビュー距離Ｄ_ｐは、当然ながら、車両１００が曲がり角及びより鋭利な旋回地点を首尾よく通り抜ける能力を低下させてしまい、これは欠点となる。

本明細書では、制御労力という用語は、車両を軌道へ接近させるときに費やす労力の量として解釈されるべきである。制御労力は、例えば、横方向加速度、車両のヨーレート、生じたサイドスリップ、適用された操舵角の大きさ、及び車両のアクチュエータによる全体的な消費エネルギーなどに関して、測定され得る。

図５は、経路Ｐから横方向偏位ｙにある車両位置ｘを始点とした、真っ直ぐな基準経路Ｐを追従する際のプレビュー距離Ｄｐの２つの異なる設定の効果を示す。実施例５１０は、プレビュー距離が比較的大きく選択された場合に起こることを示し、実施例５２０は、プレビュー距離がより短く選択された場合に起こることを示す。

本明細書に開示される技術は、計画経路Ｐからの横方向オフセット（または偏位）ｙに応じてプレビュー距離Ｄ_ｐを調整することにより、自動化車両または半自動化車両の誘導を向上させる。また、縦方向、すなわち車両の進行方向の車両速度に応じてプレビュー距離を変更することによっても、さらなる向上が実現され得る。

現在の経路追従方法は、プレビュー距離Ｄ_ｐを設定するためのアルゴリズムが不完全かつアドホックであることから、悪影響が出ている。例えば、速度に比例して、またはいくつかの道路曲率の基準に応じて、Ｄ_ｐを設定することが提案されている。これらの適合は、曲率が大きいときはプレビュー距離を減少させ、曲率が小さいときはプレビュー距離を増加させるように行われる。しかし、現在の方法では、基準経路Ｐからの横方向オフセットｙが考慮されていない。その結果、車両が基準経路に近いとき、すなわち追跡誤差が比較的小さいとき、制御労力が低減され、逸脱追跡性能が損なわれる。これは、例えば車両１００などの連結式車両の逸脱追跡性能に、悪影響を及ぼす。

車両が基準経路Ｐに近いときの経路追従性能を向上させるために、基準経路からの横方向偏位ｙも含む拡張された基準集合に基づいて、プレビュー距離を継続的に調整することが提案される。これにより、基準経路近くでは制御労力が少ないという問題は軽減される。実際に、いくつかのシナリオでは、基準経路Ｐからの現在の横方向偏位とは無関係に、安定した制御労力が生じるように、プレビュー距離は構成され得る。

本明細書で開示される新規の技術的特徴のうちの１つは、制御労力に密接に関連する設計パラメータを用いて、複数の基準に基づいてプレビュー距離を適合させることである。経路追従方法は、任意でベクトル場誘導に基づいており、ベクトル場誘導は、上述の図４に例示されたように、目標運動方向（または加速度）を提供するためにベクトル場を構成する。

本明細書で開示される方法の別の特徴は、ある所望の制御労力となるように制御労力を調節できること、または少なくとも、最も望ましい制御労力未満に制御労力を維持できることである。この制御労力は、車両の状態または種類に応じて、例えば道路摩擦が低いまたは高い場合など、潜在的に道路条件にも応じて、決定され得る。例えば、道路摩擦が低いシナリオで、車両が重荷重を運ぶ事例では、制御労力は低減され得る。

本明細書で説明される技術は、図６に例示される制御アーキテクチャ６００で示されるように、速度、曲率、及び横方向オフセット（または偏位）に応じてリアルタイムに作動する「プレビュー地点スーパバイザ」として動作するように構成され得る。車両６２０からプレビュー地点調整モジュール６１０へのフィードバックループは、破線で示され、これは、速度及び横方向オフセットなどの緩徐に変化する変数のみが使用されることを示すためであり、ヨーレート及び車体サイドスリップ角などの動的状態は使用されることはなく、その理由は、これらの状態に従ってＤ_ｐを適合させると、下層制御ループにおける動的安定性、すなわち車両１００のＶＭＭ２５０により及び／またはＭＳＤ制御ユニット２４０内で実行される制御機能における動的安定性に、干渉し得るためである。人工流れ誘導（ＡＦＧ：Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｆｌｏｗ Ｇｕｉｄａｎｃｅ）などのベクトル場誘導ベース方法では、流れマップに関連付けられた車両状態のみが、破線でフィードバックされる。

特定されたプレビュー距離Ｄ_ｐは、例えばベクトル場ベースの経路追従方法を実施し得る経路フォロワモジュール６４０に送信される。次いで、車両１００は、既知の方法で、生成された基準データに基づいて制御される。よって、この制御の一環で、経路フォロワモジュールは、制御信号を様々な車両制御ユニットに送信する。純粋な追跡ベースの経路追従ストラテジでは、制御信号は操舵角コマンドを含むが、より一般的には、制御信号は曲率要求及び／または流れベクトル方向を含み得る。

プレビュー地点調整モジュール６１０は、マップ関数６３０からの幾何学的データ及び車両状態信号に基づいて、使用する現在のプレビュー距離Ｄ_ｐを特定する。このプレビュー距離は、基準経路Ｐからの横方向偏位ｙに基づいて少なくとも部分的に特定され、よって、基準経路Ｐからの横方向偏位ｙが増加すると、プレビュー距離Ｄ_ｐは増加し、横方向偏位ｙが減少すると、プレビュー距離Ｄ_ｐは減少する。純粋な追跡アルゴリズムでは、横方向偏位ｙは、図３に示されるように特定されるが、ベクトル場ベース方法では、横方向偏位は、図４に示されるように特定される。当然ながら、横方向偏位を定義する他の方法も可能であり、すべての方法に共通することは、基準経路から横方向に車両位置ｘまで何らかの方法で測定された横方向制御誤差を、横方向偏位ｙが示すことである。

図７は、コーナリング時、すなわち基準経路Ｐが曲率を有するときの経路追従を示す。本明細書に開示される方法は、ベクトル場誘導方法で有利に使用することができる。具体的には、「カーブカッティング走行」を回避するために、経路の曲率に応じてベクトル場におけるベクトルの方向ｗを調整することができる。例えば、コーナリング時に車両の優先方向を調整するために、以下の関係性（第１の流れ場）が使用され得る。
ここで、ｔ_３は、プレビュー地点または目的地点Ｇを直接的に指す単位長ベクトルであり、一方で、ｔ_１及びｔ_２は、局所的地点Ｇ_０及びターゲット地点Ｇのそれぞれにおける単位長接線ベクトルである。角度θは、基準経路上の２つの接線ベクトル間の角度の半分である。これにより、以下の特別な事例において、流れベクトルｗ_１は基準経路の接線となる。
（ｉ）ｘは、基準経路上に位置し、かつ
（ｉｉ）基準経路の曲率は、Ｇ_０とＧとの間で一定である。

ベクトルｔ_２及びｔ_３を計算するために、最小プレビュー距離Ｌ_０を適用することなく、プレビュー距離（Ｄ_ｐ）に従って、目的地点が計算されることが好ましい。
を加算することは、経路曲率を考慮した、ベクトル場に対する方向調整であることが理解されよう。ｔ_１＝ｔ_２の特別な事例では、曲率は存在せず、ベクトルｔ_３の方向に対する調整も存在しない。この方程式の形は、車両が基準経路上に位置し、かつ曲率が一定である、曲率ゼロの事例を含むすべての事例で、ｗが基準経路の接線であるという条件から導かれる。上記の方程式は、曲率が可変である事例で有効性を維持するが、接線状態からの小さい偏位は生じ得る。類似概念が、Ｐｒｏｃ．Ｉｎｓｔ．Ｍｅｃｈ．Ｅｎｇ．Ｐａｒｔ Ｄ、第２１６巻、３２９～３４７頁、２００２、「Ａｎ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｄｒｉｖｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ Ｖｅｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄｓ」で、Ｇｏｒｄｏｎ、Ｂｅｓｔ、及びＤｉｘｏｎにより考察された。

人工流れ誘導方法を適用する実施形態のさらなる発展形態では、車両の現在の横方向偏位ｙに従って、車両は選択的に制御される。より正確には、横方向偏位ｙが閾値ｙ_ｍａｘを超えるときは、第１の流れ場の方向ｗ_１に従って、横方向偏位が閾値を超えないときは、最適化されたベース経路に従って、車両は制御され得る。

図８は、大型の車両１００が基準経路Ｐに沿ってカーブを通過する例示的なシナリオ８００を示す。車両１００は、縦方向速度Ｕを有し、最初の横方向偏位ｙ_１から出発し、次にｙ_２に減少し、さらにｙ_３に減少する。

図９は、上記の論述を要約した方法を示すフローチャートである。ここでは、基準経路Ｐを追従するように大型の車両１００を制御するための方法が示される。本方法は、車両１００が追従するべき基準経路Ｐを取得すること（Ｓ１）を含む。基準経路Ｐは、上記で論述されたように、例えばマップデータと、達成するべき輸送ミッションとに基づいて特定され得る。経路Ｐに関連する車両の位置ｘは、ＧＰＳ受信機、レーダトランシーバ、及び視覚ベースセンサなどの車載センサを使用して、特定され得る。基準経路Ｐからの車両位置ｘの横方向偏位ｙは、同様の手段により特定され得る。例えば、図２に示されるＴＳＭ機能２７０は、所与の曲率に関連付けられたコーナリング操縦を介して、車両を制御することを望み得る。この曲率は、次いで、コーナリング操縦中に遵守すべき基準経路Ｐを特定する。

本方法は、また、経路Ｐに沿った目的地点Ｇを特定すること（Ｓ２）を含み、目的地点Ｇは、経路Ｐ付近の車両位置ｘからの操舵の基準として使用され、目的地点Ｇは、車両位置ｘに関連付けられた基準位置ｘ、Ｇ_０から測定されたプレビュー距離Ｄ_ｐだけ経路Ｐに沿って離れている。純粋な追跡ベースの経路追従アルゴリズムまたはこれに類するものに従って車両１００を制御することの一環として、本方法が実行されている場合には、基準位置ｘは、単純に車両位置と等しくなり得る。ベクトル場誘導ベースの経路追従アルゴリズムに従って車両１００を制御することの一環として、本方法が実行されている場合には、上記の図４に例示されたように、基準位置Ｇ_０で経路Ｐに直交し、かつ車両位置ｘを通る直線４２０が、経路Ｐ上で交差する位置として、基準位置Ｇ_０は特定され得る。ここで、基準位置Ｇ_０は、車両位置ｘに最も近い、経路Ｐ上の地点であり、図３も参照されたい。例えば冗長性の目的で、制御ユニット１３０、１４０、１５０により、２つ以上の経路追従アルゴリズムが並行して実行され得ることが理解されよう。

本方法は、車線維持支援（ＬＫＡ）機能を実行する際に有利に適用される。これらの機能は、カメラ及びレーダなどの車載センサを使用して、車両前方の道路の幾何学的形状を特定し、この道路の幾何学的形状に応じて基準経路Ｐを特定し得る。道路の幾何学的形状は、例えば車線区分線などから既知の方法で特定され得る。

本明細書で開示される方法は、当然ながら、連結式車両１００の半自動運転または自動運転にも適用可能である。

本方法は、また、基準経路Ｐからの車両位置ｘの横方向偏位ｙが、横方向偏位の閾値ｙ_ｍａｘを超えるかどうかを判定すること（Ｓ３１）を含む。これに基づいて、横方向偏位ｙが、横方向偏位の閾値ｙ_ｍａｘを超える場合は、第１の流れ場の方向ｗ_１に従って、車両１００は制御される（Ｓ３２）。あるいは、基準経路Ｐと略平行なパイプ流れの方向ｗ_ｐｉｐｅに従って、または最適化されたベース経路１３０２に従って、車両１００は制御される（Ｓ３３）。本明細書で開示される経路追従アルゴリズムは、トラクタ１１０以外の車両ユニットを操舵するためにも適用できることが理解されよう。例えば、連結式車両は、自己動力ドーリーユニットまたは動力トレーラなど、他の操縦可能な車両ユニットを含み得る。これらの車両ユニットも、本明細書で開示される技術に従って制御され得る。

いつかの実施形態によれば、プレビュー距離Ｄ_ｐは、基準経路Ｐからの車両位置ｘの横方向偏位ｙに少なくとも部分的に基づいて特定され、よって、基準経路Ｐからの横方向偏位ｙが増加すると、プレビュー距離Ｄ_ｐは増加し、横方向偏位ｙが減少すると、プレビュー距離Ｄ_ｐは減少する。このように、横方向偏位が小さくなることは、従来提案された経路追従アルゴリズムに影響を与えることが分かっており、問題であるが、横方向偏位が小さくなった場合でも、制御労力は維持される。具体的には、本方法は任意で、車両１００の縦方向速度Ｕにも少なくとも部分的に基づいて、プレビュー距離Ｄ_ｐを特定すること（Ｓ２１）を含み得、よって、縦方向速度Ｕが増加するとプレビュー距離は増加する。つまり、車両がより緩徐に移動している場合と比べて、車両が高速で走行する場合は、より円滑な車両制御が構成されている。当然ながら、高速での急峻な旋回操縦は望ましくない。

プレビュー距離を特定するためのストラテジに、１つ以上のチューニングパラメータが導入され得る。例えば、本方法は、第１のチューニングパラメータａにも基づいて、プレビュー距離Ｄ_ｐを特定すること（Ｓ２２）を含み得、第１のチューニングパラメータａが増加すると、経路Ｐを追従するように車両１００を制御するための制御労力は増加する。よって、この第１のチューニングパラメータａは、プレビュー距離を使用する経路追従アルゴリズムの制御労力を調整するための手段を表す。制御労力とは一般的に、車両に基準経路Ｐをより近く遵守させることを目標とした車両運動管理動作の大きさを指す。例えば、制御労力が大きい場合は、制御労力が小さい場合と比べて、より高い車両横方向加速を生じる可能性が高い。第１のチューニングパラメータａは、基準経路Ｐの曲率に応じて有利に調整され得る。例えば、基準位置における基準経路Ｐに関連付けられた求心性の横方向加速度成分を特定すること（Ｓ２３）、及び求心性の横方向加速度成分に基づいて第１のチューニングパラメータａを調整することにより、異なる経路曲率が考慮され得る。

第１のチューニングパラメータは、また、例えば、車両１００が重荷重積載状態であるか否か、場合によっては車両１００が新品のタイヤを有しているか否かなど、車両状態または車両の種類に応じても、調整され得る。第１のチューニングパラメータは、リモートサーバ１５０などのリモートエンティティから、または整備中に技術者によって、設定され得る。また運転者が、個人の好みまたは操縦シナリオに応じて、パラメータを手動で設定してもよい。

基準経路の曲率または平均曲率に従って、Ｄ_ｐを適合させることにより、例えば限られた空間で操縦するときの精度が向上するなど、利点を得ることができる。これは減速により間接的に生じるが、ａ＝φ（ｋ）の形の方程式に従って、加速度パラメータａを適合させることにより、さらなる利点を達成することができる。ここで、ｋは基準経路の任意の曲率測定値であり、φ（ｋ）は増加関数であり得、よって、より高い精度が求められるときは常に、より多くの制御労力が経路追従に適用される。実施例によれば、本方法は、次のようにプレビュー距離Ｄ_ｐを特定すること（Ｓ２４）を含む。
式中、Ｕは、車両１００の縦方向速度であり（図８に図示）、ｙは、横方向偏位（または経路偏位）の大きさであり、ａは、第１のチューニングパラメータであり、ｂ≧０は、第２のチューニングパラメータである。パラメータｂは、調整パラメータであり、基準経路近くの経路追従行動を制御するために使用され得る。パラメータｂは、ゼロより大きいとき、基準経路への接近の非線形性を低減するように作用し得る。横方向偏位の大きさｙは、負ではない変数であることを、理解されたい。

プレビュー距離特定に、プレビュー距離の下限となる最小距離も加えられてもよく、すなわち、次のように表される。
これは、
が小さいとき、例えば、速度Ｕが非常に小さいとき、または経路偏位の大きさｙがゼロになる傾向にあるとき、可能性のある異常操舵を考慮する。Ｌ_０を使用することにより、操舵アクチュエータの時間遅延に対する感度は低減され、大型の車両の物理的な操縦制限が考慮される。当然ながら、プレビュー距離の他の表現ｆ_０（・）も、このように下限を使用することが可能である。

図１０は、本明細書の論述の実施形態による、いくつかの機能ユニット、制御ユニット１３０、１４０、１５０、１０００のコンポーネントに関して、概略的に示す。この制御ユニットは、例えばＶＭＭユニットまたはＴＳＭユニットの形態で車両１００に含まれ得る。例えば、記憶媒体１０３０の形態のコンピュータプログラム製品に格納されたソフトウェア命令を実行することができる適切な中央処理装置（ＣＰＵ）、マルチプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）などのうちの１つ以上の任意の組み合わせを使用して、処理回路１０１０が設けられる。処理回路１０１０は、さらに、少なくとも１つの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）として設けられてもよい。

具体的には、処理回路１０１０は、図９に関連して論述された方法などの動作またはステップの集合を、制御ユニット１０００に実行させるように構成されている。

結果として、本明細書には、基準経路Ｐを追従するように大型の車両１００を制御するための制御ユニット１３０、１４０、１５０が開示される。制御ユニットは、処理回路１０１０を備え、処理回路１０１０は、車両が追従するべき基準経路を取得することと、経路に沿った目的地点を特定することであって、基準経路付近の車両位置からの操舵の基準として使用され、車両位置に関連付けられた基準位置から測定されたプレビュー距離だけ基準経路に沿って離れている、目的地点を特定することと、目的地点に基づいて、基準経路に関連付けられた第１の流れ場の方向ｗ_１を特定することと、基準経路からの車両位置の横方向偏位ｙが、横方向偏位の閾値ｙ_ｍａｘを超えるかどうかを判定することと、横方向偏位が、横方向偏位の閾値を超える場合は、第１の流れ場の方向ｗ_１に従って車両を制御すること、超えない場合は、基準経路と略平行なパイプ流れの方向ｗ_ｐｉｐｅに従って、または最適化されたベース経路に従って、車両を制御することと、を実行するように構成されている。

例えば、記憶媒体１０３０は、動作の集合を格納し得、処理回路１０１０は、記憶媒体１０３０から動作の集合を取得し、制御ユニット１０００に動作の集合を実行させるように構成され得る。動作の集合は、実行可能な命令の集合として提供され得る。よって、処理回路１０１０は、本明細書で開示される方法を実行するように構成されている。具体的には、トラクタ１１０と、１つ以上の牽引車両ユニット１２０、１３０、１４０、１５０とを含む連結式車両１００、３００の逆進を制御するための制御ユニット１１５、２１０、１０００が開示され、制御ユニットは、処理回路１０１０と、処理回路１０１０に接続されたインターフェース１０２０と、処理回路１０１０に接続されたメモリ１０３０とを備え、メモリは、マシン可読コンピュータプログラム命令を含み、マシン可読コンピュータプログラム命令は、処理回路により実行されたとき、図８に関連して上記で論述された方法を、制御ユニットに実行させる。

記憶媒体１０３０には、例えば磁気メモリ、光学メモリ、ソリッドステートメモリ、または、さらにリモートに搭載されたメモリのうちの任意の単一のものまたは組み合わせであり得る永続記憶装置も含まれ得る。

制御ユニット１０００は、さらに、少なくとも１つの外部デバイスと通信するためのインターフェース１０２０を備え得る。よって、インターフェース１０２０は、アナログコンポーネント及びデジタルコンポーネントと、適切な数の有線通信用ポートまたは無線通信用ポートとを備えた１つ以上の送信器及び受信器を含み得る。

処理回路１０１０は、例えば、インターフェース１０２０及び記憶媒体１０３０にデータ及び制御信号を送信することにより、インターフェース１０２０からデータ及びレポートを受信することにより、ならびに記憶媒体１０３０からデータ及び命令を取得することにより、制御ユニット１０００の通常の動作を制御する。制御ノードの他のコンポーネントならびに関連機能は、本明細書に提示される概念を不明瞭にしないために省略される。

図１１は、プログラムコード手段１１２０を含むコンピュータプログラムを保持するコンピュータ可読媒体１１１０を示し、当該プログラム製品がコンピュータ上で実行されたとき、プログラムコード手段１１２０は、図８に示される方法を実行する。コンピュータ可読媒体及びコード手段は、一緒に、コンピュータプログラム製品１１００を形成し得る。

上記で示されたように、人工流れ誘導（ＡＦＧ）は、車両経路を指定する代わりに流体流アナロジーを使用する、車両誘導の既存の方法（高レベル運動参照）である。ＡＦＧは、連結車両及び長連結車両を含む車両の自動運動制御に適している。ｎ個の固定ユニットを含む車両（連結車両）の場合、横方向の車両運動を完全に抑制するために、ｎ＋１個の追跡点が使用される。既存のＡＦＧ実施態様では、関連付けられた流線（一般化された運動目標）は、一意の基準経路に収束する。追跡点は、通常、トラクタまたは固定型トラックの前部アクスル及び後部アクスルに、または１つ以上のトレーラまたはセミトレーラの後部アクスルに、定義される。条件は、「これらの追跡点が基準経路Ｐを追跡する、またはパイプ１２０４内に留まる場合、車両のすべての部分の運動は、許容可能な境界内に留まる」と表され得る。よって、連結車両がｎ個の固定ユニットを有する場合、ｎ＋１個の追跡点を抑制することが必要かつ十分であるという、理論的幾何学ベースの結果が生じる。追跡点が定義されると、任意の適切な二次元の剛体運動学的モデルを使用して、定義された運動が「補間」され、ステアリングアクスルが追跡点と一致する場合でも、ステアリングアクスルにおける対応する運動を計算することができる。次に、ステアリングは、遠隔追跡点の必要な運動と一致する運動方向を追跡する。

図１２に示されるように、道路がパイプとして視覚化される場合、基準経路Ｐに最も近い内部境界１２０２の内側の領域１２０４は、車両１００上の追跡点が抑制される道路部分を表す。外部境界１２０６（実線）は、道路または車線境界を表し、一方、内部境界１２０２（破線）は、パイプを表し、車両追跡点を捕捉し誘導することが意図される。パイプの半径は、横方向偏位の閾値ｙ_ｍａｘに対応する。ＡＦＧ流れ基準が内部境界１２０２を介してパイプに入るとき、ＡＦＧ流れ基準は、通常の状況で、混乱のない状況では、パイプから出ることはない。パイプ１２０４の内側に一旦入ると、追跡点が「捕捉」され、よって、通常は横方向運動目標が観察され得る。

いくつかの実施形態では、図１３に示されるように、車両１００は、最適化されたベース経路１３０２に従って制御される。最適化されたベース経路１３０２は、加速度の閾値、特に横方向加速度の閾値を超える加速度にペナルティを与えるコスト関数を使用して、特定され得る。代替的または付加的に、最適化されたベース経路１３０２は、Ｂ_{ｅｒｎｔｏｒｐ}（２０１４）で実施されたように、車両１００の総移動時間を最小化することにより特定され得る。代替的または付加的に、最適化されたベース経路１３０２は、経路の曲率の二次導関数のノルムを最小化することにより特定され得、可能な近似を含むこのような最小化に関するいくつかの詳細は、上記で提示された。代替的または付加的に、最適化されたベース経路１３０２は、低次多項式を基準経路Ｐにフィッティングすることにより特定され得る（上記参照）。これらの選択肢のうちのいずれも、最適化されたベース経路１３０２が横方向偏位の閾値ｙ_ｍａｘを超えてはならないという制約が加えられ得る。またさらなる可能性として、横方向偏位の閾値ｙ_ｍａｘの８０～９０％に到達したときに始まる段階的開始型ペナルティを、最適化問題の目的関数に含めることができる。このようなペナルティの使用により、車両１００がパイプ１２０４の全幅を極めて自由に使用することが可能になるが、通常は、著しい混乱のない状態では、車両１００はパイプ１２０４の内側に維持される。

別の実施形態では、車両１００は、パイプ１２０４の内側の基準経路Ｐと平行または略平行なパイプ流れの方向ｗ_ｐｉｐｅに従って制御される。このパイプ流れの手法は、基準経路を置き換えるために、ＡＦＧの固有の自由度を使用して、流れ（運動目標）が適合または最適化される領域（「パイプ」）を画定する。流動体を誘導及び抑制するためにパイプが使用されるのと同様に、ここで言及されるパイプは、追跡点を誘導及び抑制するためのものである。

第１の流れ場と同様に、パイプ流れが、道路の幾何学的形状に基づいて、構築的な幾何学的方法を使用して、任意の関連位置に生成され得る。このような方法により、どのように第１の流れ場が生成され得るかが図３に示され、これは、図７を参照してさらに詳細に説明されたことが、想起されよう。点ｘは、車両上の「追跡点」（または基準点）の位置を表し、Ｇは、経路Ｐに沿ってプレビュー距離Ｄ_ｐだけ離れた目的地点を表し、Ｇ_０は、基準経路Ｐ上でｘに最も近い地点である。これらの点における接線を計算することにより、任意のｙ＞ｙ_ｍａｘに関して、次の方程式を使用してＡＦＧベクトルが特定され得る。
プレビュー距離は、例えば次のように特定され得ることが想起されよう。
式中、Ｕは、車両の縦方向速度であり、ｙは、横方向偏位であり、ａは、第１のチューニングパラメータであり、ｂ≧０は、第２のチューニングパラメータである。本実施形態によれば、この定義は、次のように拡張される。
パイプ流れｗ_ｐｉｐｅの方程式が、次に与えられる。「パイプ」の中心軸を表す軌道中心線（基準経路）上の移動基準フレームに関して、曲線座標でパイプ流れは表現され、便利である。図１４に示されるように、第１の座標は、接線方向ｔに対応し、第２の座標は、瞬間回転中心へ方向付けられた求心方向ｎに対応する。小さな座標変位（δ_ｓ１、δ_ｓ２）から得られる物理変位ベクトルは、次の通りである。
δｘ＝γδ_ｓ１ｔ＋δ_ｓ２ｎ
ここで、_ｓ１は、経路に沿った縦方向距離であり、_ｓ２は、経路からの横方向変位である。_ｓ２≠０の場合、δ_ｓ１に関連付けられた距離制約が存在し、次のように提示される。
式中、ｋ＝Ｒ^－１は、軌道中心線上の局所的経路曲率である。同様に、流れベクトルｗ＝（ｗ_１、ｗ_２）（直交座標）及び
（経路座標）は、次のように関連付けられる。
例示的なパイプ流れの構造が、ここでは提示される。その基本形では、
は縦方向速度であり、
は、流れパターンを均一にパイプに対して平行にする。言い換えると、パイプ流れｗは、基準経路Ｐと平行である。これは、追跡点を中心へと押し進めるのではなく、パイプの中心線からある程度の横方向偏位を許容するという利点を有する。図１５に比較が示され、上側のプロット１５Ａは、従来の運動追跡を示し、一方でプロット１５Ｂは、パイプ内の平行流れを示す。（備考：±０．５ｍにおけるパイプ境界は、実際には互いに平行であり、特に上側のプロットでは、流れパターンが目の錯覚をもたらす。）新たな流れパターンにより、確実に車両はパイプ境界１２０２に入ってパイプ境界１２０２内に留まり、同時に、経路の中心を追従する必要性がなくなり、制御労力及び横方向操縦加速が低減される。

外部の流れパラメータのうちの１つを適切に選択することにより、図１５Ｂのように、外部の流れ（第１の流れ場）と内部の流れ（パイプ流れ）とは、一致し得る。これは、外部の流れがその境界近くのパイプと平行になるという制約を課すことにより達成される。上記のプレビュー距離Ｄ_ｐの方程式から、パイプ中心線に対する車両の角度αは、次の通りである。
パイプ境界１２０２またはその付近でα＝０が生じるためには、次の要件が課される。
ｂ＝－２_ａｙ２
式中、ｙ２は、パイプ半径ｙ_ｍａｘよりわずかに小さい（例えば１０％、２０％小さい）定数である。したがって、第１の流れ場の方向ｗ_１は、横方向偏位の閾値ｙ_ｍａｘまたはその付近で基準経路Ｐに対して平行に配向される。

このグループ内のさらなる実施形態では、特に、車両１００上の追跡点が急激な曲率変化のあるカーブを通り抜けるときに、条件
が緩和され得る。パイプ内の流れを向上させるための１つの選択肢には、流れ歪曲関数を追加することが含まれ得、これにより、カーブを通過するときに車両が取る経路の半径を増加させるように、流れの曲率が緩和され、よって局所的に加速度が低減される。この実施例は図１３に示され、より詳細な流れパターンは、図１７及び図１８に示される。図１３に見られるように、車両１００がカーブに接近するときに、パイプ流れは、追跡点を外側パイプ境界に向かって押す傾向があり、これにより、パイプ１２０４内での「曲がり角カッティング走行」が可能となる。

次の形の簡単な流れ歪曲関数が使用されてもよい。
ここで、ｆ（_ｓ１）は、横方向歪曲が発生する基準経路の部分を定めるスイッチング関数として機能する。簡潔な例は、図１６Ａに示されるような区分的線形関数であり、［ｘ_２、ｘ３］は、例えば曲率ｋが曲率の閾値ｋ_ｍａｘを超える高い曲率を有するセグメントに対応する。したがって、ｆ（_ｓ１）は、基準経路が分かると直ちにオフラインで生成され得、すなわち、曲率の高いすべてのセグメントを識別して、［ｘ_１、ｘ_２］及び［ｘ_３、ｘ_４］に類似するランプを追加することにより生成され得る。図１６Ｂに示されるように、関数ｇ（_ｓ２）は、境界関数（限界関数）であり、パイプにわたって機能し、パイプ境界でゼロになる傾向にある。流れに対し方向ｎで正の横方向の「押し」を生成する例示的な境界関数は、次のように提示される。
したがって、パイプ流れｗは、セグメント［ｘ_２、ｘ３］に非ゼロの求心性の成分を有する。図１６からわかるように、基準経路付近の流れ加速度は、必要とされる加速労力を低減させるために曲がっている。ｇ（_ｓ２）の定義では、横方向偏位の閾値ｙｍａｘにより定義される遷移点は、例えば１０％、または２０％など減少または増加した、わずかに小さいまたは大きい定数により置き換えられ得る。境界関数ｇ（_ｓ２）は、基準経路Ｐとは独立して定義され得る。

示される実施例は、道路のカーブ区間により画定された基準経路Ｐの周りの流れである。図１８は、曲線（軌道）座標での基準経路付近の流れ場プロットであり、加速度及びジャークを低減させるために、流れ歪曲が適用されている。水平軸は、縦方向距離ｘ（メートル）を表し、垂直軸は、横方向距離ｙ（メートル）を表し、２つのパイプ境界は、水平の破線で示される。曲がり角の頂点は、ｘ＝１３０に位置する。図１７は、図１８の完全流れマップの拡大部分であるが、現実的な空間幾何学（直交座標）を有する。ここでは、経路及びパイプ境界は、破線で描かれている。パイプの外側から入ってくる流線は、パイプ内の実際の「カーブカッティング」経路（基準パスカッティング経路）を不明瞭にする傾向があり、パイプの相対的な狭さのせいで全体的なパターンを視覚化することが難しい。よって、完全性のために、図１８は、全体的な流れ場を曲線座標で示す。垂直縮尺は、水平縮尺と比較して、非常に拡張されていることに留意されたい。

パイプ流れの実施形態のさらなる変形形態では、ピーク時の加速度振幅の加速度またはジャークを最小化するためのオフライン最適化が追加され得る。さらに、機械学習または人工知能または他のパターンマッチング技術を利用して、道路幾何学的形状に応じた最適な流れ歪曲関数が学習され得、これにより、本方法は、リアルタイムの使用に非常に効率的になる。

またさらなる変形形態では、全体的な（外部の）流れ定義と、（内部の）最適化されたパイプ流れとの、個別の切り替えが採用され得る。この場合、パイプ流れが有効化される前に、追跡点がパイプの中心に置かれ得る。さらに、任意の追跡点がパイプ境界を出る場合には、警告または制御介入（例えば自動制動）が提供され得る。この点で一般的に適用可能なストラテジとしては、追跡点がパイプ境界１２０２を出る場合、修正された外部の流れ場に自動的に切りかえて、その後、追跡点をパイプ流れ内に再び捕捉するように、自動経路補正を適用することが挙げられ得る。

Claims (18)

1. 基準経路（Ｐ）を追従するように大型の車両（１００）を制御するための方法であって、
   前記車両（１００）が追従するべき前記基準経路（Ｐ）を取得すること（Ｓ１）と、
   前記基準経路（Ｐ）に沿った目的地点（Ｇ）を特定すること（Ｓ２）であって、前記目的地点（Ｇ）は、前記基準経路（Ｐ）付近の車両位置（ｘ）からの操舵の基準として使用され、前記車両位置（ｘ）に関連付けられた基準位置（ｘ、Ｇ_０）から測定されたプレビュー距離（Ｄ_ｐ）だけ前記基準経路（Ｐ）に沿って離れている、前記目的地点（Ｇ）を特定すること（Ｓ２）と、
   前記目的地点（Ｇ）に基づいて、前記基準経路（Ｐ）に関連付けられた第１の流れ場の方向ｗ_１を特定すること（Ｓ２６）と、
   前記基準経路（Ｐ）からの前記車両位置（ｘ）の横方向偏位（ｙ）が、横方向偏位の閾値（ｙ_ｍａｘ）を超えるかどうかを判定すること（Ｓ３１）と、
   前記横方向偏位（ｙ）が前記横方向偏位の閾値（ｙ_ｍａｘ）を超える場合は、前記第１の流れ場の前記方向ｗ_１に従って前記車両（１００）を制御することと（Ｓ３２）、超えない場合は、前記基準経路（Ｐ）と略平行なパイプ流れの方向ｗ_ｐｉｐｅに従って、または最適化されたベース経路（１３０２）に従って、前記車両（１００）を制御すること（Ｓ３３）と、
   を含む、方法。
2. 前記パイプ流れは、前記基準経路（Ｐ）の少なくとも第１のセグメントにおいて、前記基準経路（Ｐ）と平行である、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の流れ場は、前記横方向偏位（ｙ）に関する連続関数であり、その方向ｗ_１は、前記横方向偏位（ｙ_ｍａｘ）の閾値またはその付近で、前記基準経路（Ｐ）に平行に配向される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記パイプ流れは、前記基準経路（Ｐ）の少なくとも第２のセグメントに、非ゼロの求心成分を有し、前記第２のセグメントは、前記基準経路の曲率（ｋ）が曲率の閾値を超えた場所に対応する、請求項２または３に記載の方法。
5. 前記最適化されたベース経路は、加速度の閾値を超える加速度にペナルティを与えるコスト関数を使用して特定される、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記最適化されたベース経路は、総移動時間を最小化することにより特定される、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記最適化されたベース経路は、前記基準経路の曲率の二次導関数のノルムを最小化することにより特定される、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記最適化されたベース経路は、低次多項式を前記基準経路（Ｐ）にフィッティングすることにより特定される、請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記最適化されたベース経路は、前記横方向偏位の閾値（ｙ_ｍａｘ）を超えないという制約に従って特定される、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記最適化されたベース経路は、非ゼロの前方対象範囲（Ｄ_ｏｐｔ）まで延在する可能な経路にわたりコスト関数を最適化することにより特定される、請求項１～９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記第１の流れ場の前記方向ｗ_１は、
    として特定され（Ｓ２６）、式中、ｔ_１は、前記基準位置（Ｇ_０）で評価された前記基準経路（Ｐ）に対する単位長接線ベクトルであり、ｔ_２は、前記目的地点（Ｇ）で評価された基準経路（Ｐ）に対する単位長接線ベクトルであり、ｔ_３は、前記車両位置（ｘ）から前記目的地点（Ｇ）に向かって配向された単位長ベクトルであり、角度θは、前記２つの接線ベクトルｔ_１とｔ_２の間の角度の半分である、請求項１～１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記プレビュー距離（Ｄ_ｐ）は可変である、請求項１～１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記基準経路（Ｐ）からの前記横方向偏位（ｙ）が増加すると、前記プレビュー距離（Ｄ_ｐ）は増加し、前記横方向偏位（ｙ）が減少すると、前記プレビュー距離Ｄ_ｐは減少する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記基準位置（ｘ）は、前記車両位置に等しい、請求項１～１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記基準位置（Ｇ_０）は、前記車両位置（ｘ）を通り、かつ前記基準位置（Ｇ_０）で前記基準経路（Ｐ）と直交する直線が、前記基準経路（Ｐ）上で交差する位置である、請求項１～１３のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記車両を制御することは、車線維持支援（ＬＫＡ）機能、半自動運転アプリケーション、または自動運転アプリケーションを実行することを含む、請求項１～１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 基準経路（Ｐ）を追従するように大型の車両（１００）を制御するための制御ユニット（１３０、１４０、１５０）であって、前記制御ユニットは、請求項１～１６のいずれか１項に記載の方法を実行するように構成された処理回路（１０１０）を備える、前記制御ユニット（１３０、１４０、１５０）。
18. 請求項１７に記載の制御ユニット（１３０、１４０、１５０）を備えた大型の車両（１００）。