JP6161422B2

JP6161422B2 - 自律走行車両、車両の自律走行システム及び自律走行車両の制御方法

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Publication number: JP6161422B2
Application number: JP2013127012A
Authority: JP
Inventors: 隆則深尾; 啓高青木; 石山　健二; 健二石山
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2033-06-17
Also published as: JP2015001907A

Description

本発明は、自律走行車両、車両の自律走行システム及び自律走行車両の制御方法に関する。

省力化・省人化や、人体にとって過酷な環境下での作業を可能とするべく、無人にて自律的に走行する車両が研究されている。車両を自律走行させる際には、車両の位置を走行経路に追従させると同時に、その速度をあらかじめ与えられ、又は自動生成された速度プロファイルに追従するよう制御しなければならない。このとき、車両の用途によっては、乗客が乗降したり、搭載した農薬や肥料が散布されたりすることにより車両自体の質量が変化する。この車両質量の変化は制御系に対してはモデル化誤差として作用するため、このような車両の速度制御をするにあたっては、モデル化誤差に対するロバスト性を備えることが必要である。

非特許文献１には、鉄道車両の自動運転制御に対し、Ｈ∞制御を適用することにより、乗客数等のモデル化誤差に対するロバスト性を備えた速度制御をする制御器を設計することが示されている。

宮越弘幸・大久保重範，"車両の速度制御に関する研究"，計測自動制御学会東北支部研究集会の講演資料，公益社団法人計測自動制御学会，２００８年１０月２４日

一般に、Ｈ∞制御理論に基く制御器の設計では、想定される最大のモデル化誤差或いは外乱に対して制御系が漸近安定となるように補償器が選択されるため、その追従性能は保守的なものとなる。そのため、追従精度や応答性の点では、実用性に照らし、必ずしも満足のできる制御器が得られるとは限らない。かといって、追従性能を向上させようにも、上述したように車両自体の質量が変化するケースではモデル化誤差を低減することは不可能である。

本発明はかかる観点に鑑みてなされたものであって、その目的は、車両自体の質量が変化する自律走行車両において、速度制御の追従精度及び応答性を高めることである。

本出願において開示される発明は種々の側面を有しており、それら側面の代表的なものの概要は以下のとおりである。

（１）あらかじめ定められた速度プロファイルと、車両の現在速度に基いて、車両質量をスケジューリングパラメータとして用いたゲインスケジュールドＨ∞制御により原動機の出力制御指令値を求めるコントローラと、前記出力制御指令値に基いて原動機出力を調節する原動機出力調整部と、を有する自律走行車両。

（２）（１）において、前記車両質量を、積載物の重量、積載物の容積、積載物の数量及び積載物の使用時間の少なくともいずれかに基いて算出する車両重量算出部を有する自律走行車両。

（３）（１）又は（２）において、前記コントローラは、車両のピッチ角に基いて制御入力に対し補正をする自律走行車両。

（４）（１）乃至（３）のいずれかにおいて、前記コントローラは、前記速度プロファイルより求められる目標速度と前記現在速度との偏差に積分項による補正をする自律走行車両。

（５）あらかじめ定められた速度プロファイルと、車両の現在速度に基いて、車両質量をスケジューリングパラメータとして用いたゲインスケジュールドＨ∞制御により原動機の出力制御指令値を求めるコントローラと、前記出力制御指令値に基いて原動機出力を調節する原動機出力調整部を有する車両と、を有する車両の自律走行システム。

（６）あらかじめ定められた速度プロファイルと、車両の現在速度に基いて、車両質量をスケジューリングパラメータとして用いたゲインスケジュールドＨ∞制御により原動機の出力制御指令値を求めるステップと、前記出力制御指令値に基いて原動機出力を調節するステップと、を有する自律走行車両の制御方法。

上記本発明によれば、車両自体の質量が変化する自律走行車両において、速度制御の追従精度及び応答性を高めることができる。

本発明の一実施形態に係る自律走行車両の外観図である。自律走行車両の構成を示す模式図である。補償器Ｋ（ｓ，ｍ）による閉ループが付加された一般化プラントＧ（ｓ，ｍ）を示す図である。拡大プラントＱ（ｓ，ｍ）を示す図である。重力補正入力による補正と積分項による補正の両方を行った場合の、自律走行車両の最終的な制御系のブロック線図である。

以下に、本発明の一実施形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る自律走行車両１の外観図である。本発明における自律走行車両とは、自動運転として、あらかじめ設定した経路又は自動生成した経路上をあらかじめ与えられ、又は自動生成された速度プロファイルに追従するように自律走行を行う車両を指している。したがって、自律走行車両１がそれ以外の走行時、例えば自動運転の状態にない場合の有人／無人運転の別は問わない。また、図１に示した自律走行車両１は４輪自動車であるが、装輪数は３輪であっても、４輪であっても、或いは６輪以上の多装輪であっても、無限軌道車であってもよい。さらに、以降説明する本実施形態における自律走行車両１の制御は不整地走行に特に適したものであるため、自律走行車両１は不整地走行に適したＡＴＶ（ＡｌｌＴｅｒｒａｉｎＶｅｈｉｃｌｅ）を改修したものとして示しているが、自律走行車両１が舗装面等の整地を走行しても差し支えない。

本実施形態では、自律走行車両１は、果樹園等の農園を走行しつつ、果樹等の作物に対して農薬等の薬液を散布する農業用車両として示されており、車両本体２の後部に農薬散布用のスプレーノズル３と、薬液を貯蔵するタンク４が装備されている。しかしながら、これは単に自律走行車両１の実用上の役割の一例を示すものであり、自律走行車両１は農業用車両に限定されない。車両本体２は、作業者による有人運転と、後述するコントローラ５による無人運転の両方が可能であり、作業者による操作または指示により有人／無人運転が切り替えられる。

なお、本実施形態では、コントローラ５は車両本体２に搭載されているものとして以降の説明を行うが、コントローラ５を車両本体２の外部に設置し、無線通信により車両本体２の制御を行うものとしてもよい。かかる場合には、コントローラ５と、車両本体２を含む車両の制御システムとして本発明が把握され得ることとなる。

図２は、自律走行車両１の構成を示す模式図である。自律走行車両１の車両本体２は、前輪である操舵輪２１と、操舵輪２１の操舵角を変更するためのステアリングアクチュエータ２２、後輪である駆動輪２３に回転駆動力を与える内燃機関であるエンジン２４とエンジンへの混合気の供給量を制御する弁であるスロットルバルブ２５、スロットルバルブ２５の開度を制御するスロットルバルブアクチュエータ２６を備えており、ステアリングアクチュエータ２２とスロットルバルブアクチュエータ２６を情報処理装置であるコントローラ５により電子的に制御するようになっている。なお、ここでは自律走行車両１の原動機に内燃機関を設けているが、これに換えて電気モータを用いても、内燃機関と電気モータとのいわゆるハイブリッドシステムを用いてもよい。また、エンジン２４の形式に限定はなく、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンの別はもちろん、２サイクル／４サイクルの別や気筒数にも特段の制限はない。いずれにせよ、コントローラ５は少なくとも原動機の出力を調整する原動機出力調整部を電子的に制御することになる。本実施形態では、スロットルバルブアクチュエータ２６が原動機出力調整部に該当する。

操作部２７は、自律走行車両１を有人運転する際の各種操作用部材であり、具体的には、ハンドルや、アクセル／ブレーキ等のペダル、各種スイッチ類である。本実施形態では、自律走行車両１は、搭乗員による有人運転を行う場合には、この操作部２７に入力された操作量がコントローラ５に伝えられ、その操作量に応じてステアリングアクチュエータ２２やスロットルバルブアクチュエータ２６が駆動されるようになっている。これに対し、自律走行車両１が無人運転となっている場合には、操作部２７からの入力は自律走行車両１の走行には反映されない。自律走行車両１の有人運転／無人運転の切り替えは、この操作部２７に設けられた適宜のスイッチ、例えば、キースイッチのポジションを変更することにより行われてよい。

インタフェース２８は、コントローラ５に対し、自律走行車両１を無人運転する際に必要となる各種情報を入力するためのマンマシンインタフェースである。このインタフェース２８の形式は特に限定されず、どのようなものであってもよい。例えば、無線又は有線により通信可能に接続された任意のコンピュータ又はティーチングペンダント等の操作ボックスをインタフェース２８として用いてよい。あるいは、自律走行車両１の適宜の場所、例えば運転席にタッチパネル式ディスプレイ等の入力デバイスを設け、かかる入力デバイスをインタフェース２８としてもよい。いずれにせよ、オペレータは、インタフェース２８を用いて、自律走行車両１を自動走行させる際に必要となるパラメータや速度プロファイル等必要な情報をコントローラ５に入力する。

記憶部２９は、情報記憶であり、好ましくは不揮発性のメモリである。そして、記憶部２９には、自律走行車両１が自律走行を行う際に必要となるパラメータや速度プロファイル等の情報が記憶される。コントローラ５は、自律走行車両１の無人運転の際には、必要なパラメータや速度プロファイルを適宜記憶部２９より参照しつつ自律走行車両１を制御する。

さらに、自律走行車両１には車両重量算出部３０が設けられており、自律走行車両１全体の現在重量を算出し、コントローラ５に出力するようになっている。車両重量算出部３０の形式および車両重量の算出方法は特に限定されないが、車両重量算出部３０は適宜のセンサを含んでおり、当該センサの出力から車両重量を算出する等が考えられる。車両重量の算出は、積載物の重量、積載物の容積、積載物の数量および積載物の使用時間の少なくともいずれかに基づいて行われてよい。

例えば、積載物の重量を用いる場合、積載物の積載部にロードセル等の重さセンサを設けておき、測定した積載物の重量に車両本体の重量を加算することにより自律走行車両１全体の現在重量が算出できる。積載物の容積を用いる場合には、例えば本実施形態のように積載物が薬液等の液体である場合を考えると、タンク４内に液面センサを設けておき、タンク４内の薬液の容積から積載物の重量を求め、さらに、自律走行車両１全体の現在重量を算出するとよい。積載物の数量を用いる場合には、個々の積載物の概算の重量があらかじめ分かっている場合にその数量を乗じる。例えば、積載物が乗客である場合に、乗降口のゲートに設置したエリアセンサにより搭乗者数をカウントし、一人あたりの概算重量、例えば、７０ｋｇを乗じればよい。積載部の使用時間を用いる場合は、例えば、例えば本実施形態のように積載物が噴霧される薬液である場合を考えると、単位時間当たりの噴霧量は分かっているので、噴霧時間に時間当たりの噴霧量を乗じると薬液の使用量が求まる。タンクに既知の量だけ（例えば、満量）薬液を充填しておいたなら、タンク４内の薬液の残量は容易に求めることができ、いずれにせよ自律走行車両１全体の現在重量が算出できることになる。

続いて、コントローラ５が実行する自律走行車両１の制御の詳細を以下に説明する。ここで、本明細書で対象とする制御は自律走行車両１の速度制御であり、操舵角制御は対象としていない。ステアリングアクチュエータ２２に対しては、別途適宜の制御が行われる。

なお、以降の本文中では時間微分をプライム記号（’）により表記し（ラグランジュの記法）、また本文中に挿入される数式中では時間微分をドット記号（・）により表記しており（ニュートンの記法）、表記が必ずしも一致しないが、これは明細書の電子出願にあたって使用できるフォントに制限があるためであり、両者が指し示す内容に差異はない。

まず、自律走行車両１を数式によりモデル化する。まず、スロットルバルブ２５の数式モデルは次の通りである。

ここで、ｉはスロットルバルブアクチュエータ２６、ここでは電動機の制御電圧であり、スロットルアクチュエータ２６に対する制御入力である。

次に、車両本体２のモデルは次の通りである。

さらに、エンジン２４のモデルは次の通りである。ここで、エンジン２４は一次遅れによる応答特性を持つと仮定している。

ここで、それぞれの変数が示す意味は次の通りである。
ｕ :スロットル開度
Ｋ_ｔｈ：スロットルバルブアクチュエータ２６のゲイン
ｉ：制御電圧
ｅ_ｖ：スロットル開度の偏差
Ｋ_ｐ：比例ゲイン
Ｋ_ｉ：積分ゲイン
ｔ_ｌ：ＰＩ制御における積分時間
ｍ：車両重量
ｖ：車両速度
ｆ：駆動力
ｃ：粘性抵抗係数
Ｔ：エンジン２４の時定数
Ｋ_ｄ：駆動力ゲイン
ｇ：重力加速度
θ ：路面勾配

ここで、上述の車両本体２のモデル及びエンジン２４のモデルから、スロットル開度ｕを入力、車両速度ｖを制御量とした車両の速度制御系のモデルは次の通りとなる。

本実施形態では、コントローラ５は、自律走行車両１を制御するにあたり、スロットルバルブアクチュエータ２６の制御電圧ｉを求めるにあたり、ＰＩ制御を適用する。このとき、ＰＩコントローラにより求まる制御電圧ｉは、次の通りとなる。

また、上述の車両の速度制御系のモデルにおいて定常走行（ｖ’＝０、ｖ’’＝０）である場合には次式が得られる。

このことから、コントローラ５は、車両速度ｖを目標とする定常走行におけるフィードフォワード制御を行い、その入力は次式の通りである。

以上の制御では、外乱やモデル化誤差に対応することができず十分な制御ができないため、さらに適切な補償器を加え、ゲインスケジュールドＨ∞制御による制御を行うことを考える。ここでは、スケジューリングパラメータに車両重量ｍを用いることにより、車両重量の変化に応じて適切な制御ゲインを得るものとする。図３は、補償器Ｋ（ｓ，ｍ）による閉ループが付加された一般化プラントＧ（ｓ，ｍ）を示す図である。ここで、それぞれの変数が示す意味は次の通りである。
ｄ：外乱あるいはモデル化誤差
ｒ：参照入力
ｕ：制御入力
ｚ：制御量
ｙ：観測量

また、Ｗ_１は速度誤差についての重み関数、Ｗ_２は制御入力についての重み関数、Ｗ_３はモデル化誤差についての重み関数であり、周波数応答を成形するためのものである。

このとき、プラントＰ（ｓ）の状態方程式は、

ここで、

である。ところが、ＬＭＩ（線形行列不等式）に基づくゲインスケジュールドＨ∞制御系の設計を行うためには、入力行列Ｂがスケジューリングパラメータである車両重量ｍに依存しないことが条件であり、従って、このプラントＰ（ｓ，ｍ）に対しては補償器を求めることができない。そこで、プラントＰ（ｓ，ｍ）の上流側にローパスフィルタＦ（ｓ）を付加し、拡大プラントＱ（ｓ，ｍ）として取り扱うことを考える。このときのブロック図を図４に示す。

ローパスフィルタＦ（ｓ）の状態方程式を以下の通りとする。

また、状態変数を新たに［ｖｖ’ ｘ_ｌ］^Ｔとすると、拡大プラントＱ（ｓ，ｍ）の状態方程式は次の通りとなる。

ここで、ローパスフィルタの状態方程式より、ｕ＝Ｃ_ｌｘ_ｌであるからこれを代入し整理すると、最終的な拡大プラントＱ（ｓ，ｍ）の状態方程式は次の通りとなる。

この状態方程式では、スケジューリングパラメータｍは全てＡ行列に含まれ、Ｂ行列はｍに対して不変であるため、ゲインスケジュールドＨ∞補償器を適宜求めることが可能である。

以上により、自律走行車両１におけるゲインスケジュールドＨ∞制御器が設計できるのであるが、自律走行車両１が傾斜面に存在し、重力により進行方向又はその逆向きの力を受けている場合にはいわゆる定常偏差が生じる場合がある。そこで、そのような定常偏差を減少させる方法として、重力に対する補正項を導入する方法と、積分補正を行う方法を用いる。

まず、重力に対する補正項を導入する方法について説明する。自律走行車両１が傾斜面に存在することにより作用する力は、路面勾配θを用いると−ｍｇｓｉｎθとなるから、重力を考慮した際の自律走行車両１の運動方程式は、以下の通りである。

定常状態ではこの式は次のようになる。

これをｕについて整理すると、

すなわち、重力を打ち消す制御入力はこの右辺第二項である

であることがわかる。

なお、ここで路面勾配θとしては、自律走行車両１のピッチ角を用いるとよい。自律走行車両１のピッチ角自体は、自律走行車両１に別途姿勢センサを設けて計測するようにしてもよいが、自律走行車両１がＩＮＳ（慣性航法システム）を備えている場合には、その出力からピッチ角を求めるようにするとよい。また、路面勾配θとして、自律走行車両１の現在のピッチ角をそのまま用いてもよいが、過去の一定期間のピッチ角の平均値を用いるようにすることが望ましい。本実施形態では、測定ピッチ角のノイズをローパスフィルタで取り除き、過去５秒間の測定ピッチ角の移動平均値を路面勾配θとして用いている。

続いて、積分補正を行う方法について説明する。この方法は、スロットル開度の偏差ｅ_ｔｈに対し積分項を導入することによりなされる。

図５は、重力補正入力による補正と積分項による補正の両方を行った場合の、自律走行車両１の最終的な制御系のブロック線図である。図中符号１００はスロットルバルブ２５、符号１０１は車両とエンジン、符号１０２はフィードフォワード項、符号１０３はＰＩ制御器、符号１０４はゲインスケジュールドＨ∞制御器を示すブロックである。重力補正入力１０５及び積分項１０６は図示の位置に挿入される。図より明らかなように、重力補正入力１０５はゲインスケジュールドＨ∞制御器１０４の後、ＰＩ制御器１０３の前に入力される。また、積分項１０６は、スロットルバルブ開度の偏差に対し、ゲインスケジュールドＨ∞制御器１０４と並列に挿入される。

なお、本実施形態では、積分項による補正と重力補正入力による補正の両方を行っているが、これは、いずれか片方としても差し支えない。

１自律走行車両、２車両本体、３スプレーノズル、４タンク、５コントローラ、６参照車両、２１操舵輪、２２ステアリングアクチュエータ、２３駆動輪、２４エンジン、２５スロットルバルブ、２６スロットルバルブアクチュエータ、２７操作部、２８インタフェース、２９記憶部、３０車両重量算出部、
１００スロットルバルブ、１０１車両とエンジン、１０２フィードフォワード項、１０３ＰＩ制御器、１０４ゲインスケジュールドＨ∞制御器、１０５重力補正入力、１０６積分項。

Claims

あらかじめ定められた速度プロファイルと、車両の現在速度に基いて、車両質量をスケジューリングパラメータとして用いたゲインスケジュールドＨ∞制御により原動機の出力制御指令値を求めるコントローラと、
前記出力制御指令値に基いて原動機出力を調節する原動機出力調整部と、
を有する自律走行車両。
前記車両質量を、積載物の重量、積載物の容積、積載物の数量及び積載物の使用時間の少なくともいずれかに基いて算出する車両重量算出部を有する請求項１に記載の自律走行車両。
前記コントローラは、車両のピッチ角に基いて制御入力に対し補正をする請求項１又は２に記載の自律走行車両。
前記コントローラは、前記速度プロファイルより求められる目標速度と前記現在速度との偏差に積分項による補正をする請求項１乃至３のいずれかに記載の自律走行車両。
あらかじめ定められた速度プロファイルと、車両の現在速度に基いて、車両質量をスケジューリングパラメータとして用いたゲインスケジュールドＨ∞制御により原動機の出力制御指令値を求めるコントローラと、
前記出力制御指令値に基いて原動機出力を調節する原動機出力調整部を有する車両と、
を有する車両の自律走行システム。
あらかじめ定められた速度プロファイルと、車両の現在速度に基いて、車両質量をスケジューリングパラメータとして用いたゲインスケジュールドＨ∞制御により原動機の出力制御指令値を求めるステップと、
前記出力制御指令値に基いて原動機出力を調節するステップと、
を有する自律走行車両の制御方法。