JP6216545B2

JP6216545B2 - 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: JP6216545B2
Application number: JP2013127002A
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: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2033-06-17
Also published as: JP2015001906A

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ための考え方には種々のものがあるが、代表的なものとして、あらかじめ設定した経路を追従するように車両を自動運転させるものが挙げられる。このような経路追従型の自動制御では、経路に対する追従精度を高めるとともに、路面の凹凸や傾斜といった外乱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、経路追従型の自動制御に対し、Ｈ∞制御を適用することにより、農作業車両を高速かつ、ロバストに目標経路に追従させる技術が開示されている。

加藤彰一，外５名，"ＵＧＶのＨ∞制御によるロバストな経路追従"，学術講演会前刷集、公益社団法人自動車技術会，２０１２年５月

一般に、Ｈ∞制御理論に基づ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、経路に対する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モデル化誤差の低減は一般に困難であるし、外乱の大きさを小さく見積もると、制御の安定性が損なわれる。

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、経路追従型の自動制御による走行をする自律走行車両において、経路に対する追従精度及び応答性の良さと、外乱に対するロバスト性を両立させることである。

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経路上の車両の目標位置及び目標方向と、車両の現在位置及び現在方向に基いて、車両状態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∞制御により操舵角目標値を求めるコントローラと、前記操舵角目標値に基いて操舵輪を操舵するステアリングアクチュエータと、を有する自律走行車両。

（２）（１）において、前記車両状態量が車両速度、姿勢、旋回速度の少なくともいずれかである自律走行車両。

（３）（１）又は（２）において、前記コントローラは、車両のロール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、前記目標位置と前記現在位置との偏差に積分項による補正をする自律走行車両。

（５）（４）において、前記コントローラは、車両の横方向についての前記目標位置と前記現在位置との偏差に対して前記積分項による補正をする自律走行車両。

（６）あらかじめ定められた経路上の車両の目標位置及び目標方向と、車両の現在位置及び現在方向に基いて、車両状態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∞制御により操舵角目標値を求めるコントローラと、前記操舵角目標値に基いて操舵輪を操舵するステアリングアクチュエータを備えた車両と、を有する車両の自律走行システム。

（７）あらかじめ定められた経路上の車両の目標位置及び目標方向と、車両の現在位置及び現在方向に基いて、車両状態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∞制御により操舵角目標値を求めるステップと、前記操舵角目標値に基いて操舵輪を操舵するステップと、を有する自律走行車両の制御方法。

上記本発明によれば、経路追従型の自動制御による走行をする自律走行車両において、経路に対する追従精度及び応答性の良さと、外乱に対するロバスト性を両立させることができる。

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。等価二輪モデルを示す図である。自律走行車両と参照車両との関係を示す図である。補償器Ｋ（ｓ）による閉ループが付加された一般化プラントＧ（ｓ，θ）を示す図である。積分項及び重力補正入力が付加された一般化プラントＧ（ｓ，θ）を示す図である。

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を追従する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。

車両本体２には、さらに、外部機器との無線通信を行うためのアンテナ４が設けられている。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、アンテナ４を介した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ドライビングモータ２４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、ここではドライビングモータ２４は電気モータであり、車両本体２は電動車両であるが、原動機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等の適宜の内燃機関を用いてもよく、さらに内燃機関と電気モータとのいわゆるハイブリッドとしてもよい。

操作部２５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２５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やドライビングモータ２４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２５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２５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２６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２６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２６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２６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２６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走行経路等必要な情報をコントローラ５に入力する。無線による通信を行う場合には、このインタフェース２６は図１に示すアンテナ４を用いるものであってよい。

記憶部２７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２７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走行経路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走行経路を適宜記憶部２７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には位置・方位センサ２８が設けられており、車両本体２の現在位置及び現在方向がコントローラ５に入力されるようになっている。位置・方位センサ２８の形式は特に限定されないが、一例として、本実施形態では、位置センサにＧＰＳ（汎地球測位システム）レシーバを、方位センサに磁気コンパスを用いている。もちろん、位置センサとして、ＧＰＳに換えて或いは加えてＩＮＳ（慣性航法システム）や電波又は超音波を用いたＬＰＳ（局所測位システム）を用いてもよいし、現在方位を位置センサの出力から求めるものとしてもよい。

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。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の物理モデルとして、図３に示す等価二輪モデルを採用する。透過二輪モデルとは、一定速度で走行する車両の水平面内の運動を考え、前後の左右輪が等価的に車両の前後輪軸と車軸との交点にそれぞれ集中している車両の運動を考えたものである。ここで、それぞれの変数が示す意味は次の通りである。
ｌ :ホイールベース
ｌ_Ｆ，ｌ_Ｒ：前輪軸又は後輪軸と車両重心までの距離
ｒ：ヨー角速度
Ｆ_Ｆ，Ｆ_Ｒ：前輪軸又は後輪軸に作用する横力
Ｊ：慣性ヨーモーメント
Ｋ_Ｆ，Ｋ_Ｒ：前輪軸又は後輪軸におけるコーナリング力
Ｍ：車両質量
ｖ：車両速度
α ：ヨー角
β ：車両重心における滑り角
β_Ｆ，β_Ｒ：前輪又は後輪における滑り角
δ ：操舵角（前輪のもの）

このとき、図３より車両の運動方程式は次の通りとなる。

また、タイヤに働く横力は滑り角が小さい場合には滑り角に比例することから次の通りとなる。

よって、ヨー角速度ｒと滑り角βの関係式は次の通りとなる。

ここで、

である。

また、自律走行車両１が走行経路に追従するための制御として、図４に示すように走行経路上の仮想的な参照車両６に追従する制御を行う。このとき、参照車両６の位置を目標位置、参照車両の向きを目標方向と呼ぶこととする。目標位置及び目標方向は、あらかじめ定めた速度プロファイルにしたがって参照車両６を走行経路上で仮想的に走行させることにより得てもよいが、本実施形態では、参照車両６は実車両である自律走行車両１の速度に合わせて常に並走しているものと仮定している。すなわち、目標位置は現在位置から走行経路に最短となる垂線を下ろした際の交点であり、目標方向は目標位置における走行経路の接線方向である。

このとき、添え字ｒを参照車両６における各種変数を示すものとすると、参照車両６の状態方程式は等価二輪モデルを適用すると次の通りとなる。

また、参照車両６から見た自律走行車両１の前後偏差、横偏差及び廻頭角をｅ_１，ｅ_２及びｅ_３とすると、

が得られる。この時間微分は、

である。ただし、

ここで、参照車両６は自律走行車両１に並走している（ｅ_１＝０、ｅ_１’＝０）ことから、線形近似を行うと結局

を得る。以上より、状態方程式として、

が求められる。このとき、定常状態の条件としてβ’＝０およびβ_ｒ’＝０とし、状態量としてｒ−ｒ_ｒを考慮して状態方程式を書き換えると、最終的に

を得る。ただし、

とする。

以上求めた状態方程式により示される系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。図５は、補償器Ｋ（ｓ）による閉ループが付加された一般化プラントＧ（ｓ，θ）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。
ｗ：外乱
ｕ：制御入力
ｚ：制御量
ｙ：観測量
θ ：スケジューリングパラメータ

このとき、プラントＰ（ｓ）の状態量は次のようになる。

また、制御量は次のように選択する。

このとき、一般化プラントの状態方程式は以下の通りとなる。

ここで、可変パラメータの値域は規定されているものとし、

とする。また、Ｗ（ｓ，θ）は周波数依存の重みであり、周波数応答を成形するためのものである。

ここで、一般化プラントに対し次の仮定：
（１）Ｂ_２，Ｃ_２，Ｄ_１２，Ｄ_２１はθに依存しない
（２）他の係数行列は次の式に示すポリトープ型ＬＰＶ（線形パラメータ可変）モデルで表される。ただし、ξを補完係数とする。

これに対し、一般化プラントと同じ次数のポリトープ型ＬＰＶモデルを補償器として次式のように与える。

このとき、閉ループ系Φ（ｓ，θ）の状態方程式は次のように表される。

さらに、閉ループ系Φ（ｓ，θ）は以下のようなポリトープ型ＬＰＶモデル

で表すことができる。閉ループ系Φ（ｓ，θ）がＬＰＶモデルであるため、有界実補題より次の条件は等価となる。
１．Ａは安定で

が成り立つ。
２．次の条件を満たす正定行列Ｐが存在する。

この不等式には行列ＰとＡ_ｃｌ、Ｂ_ｃｌの積が含まれるため、線形でない。そこで、合同変換によりこの不等式を線形化すると、次のＬＭＩ（線形行列不等式）が得られる。

ここで、ｉ＝１，・・・，ｎとし、各ＬＭＩ毎に定義される未知変数として、

とする。このとき、Ｘ＞０、Ｙ＞０は全てのＬＭＩ条件式において共通の変数であり、時間に依存しないものと仮定すると上述のＬＭＩより未知変数を求めることができる。これにより、補償器のポリトープ型ＬＰＶモデルにおける各係数行列を次の式より計算することができ、これによりゲインスケジュールドＨ∞制御器が設計されることになる。

ここで、スケジューリングパラメータθに何を用いるかが問題となるが、これに対しては想定される走行経路において、操舵角を制御する上で外乱が増大すると考えられる条件を直接的または間接的に示す自律走行車両１の状態を示す量（車両状態量）を選択するとよい。車両状態量としては、車両速度、姿勢、旋回速度等を挙げることができる。すなわち、例えば車両速度に関して言えば、車両速度が増大すると路面の凹凸やスリップ等による外乱が増大すると考えられる。そのような条件のときにゲインを下げ、そうでない場合はゲインを上げるような制御をすれば、外乱の影響を抑えつつ、走行経路に対する追従性を確保出来るものと考えられる。姿勢、旋回速度についても同様である。

ここではまず、スケジューリングパラメータとして車両速度を用いた場合を説明する。上述のプラントの状態方程式では車両速度ｖの逆数が含まれるため、スケジューリングパラメータθとして、

とする。なお、ここでの車両速度ｖは、自律走行車両１の現在速度をそのまま用いてもよいが、過去の一定期間の車両速度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、過去１秒間の車両速度の平均値を車両速度ｖとして用いている。

このとき、一般化プラントは次の式で表される。

また、各係数行列は次の通りである。

ここで、Ａ（θ）は補完係数ξ_ｉを用いて、

と表すことができる。

続いて、スケジューリングパラメータとして姿勢を用いた場合を説明する。ここでの姿勢は、自律走行車両１のピッチ角及びロール角である。なお、ピッチ角及びロール角は、自律走行車両１に姿勢センサを設けるか、ＩＮＳの出力をとることにより知ることができる。このとき、スケジューリングパラメータθは例えば、次のようにする。

なお、ここでθ_ｐ、θ_ｒとしてそれぞれ自律走行車両１の現在のピッチ角及びロール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及びロール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、過去１秒間のピッチ角及びロール角の平均値をそれぞれピッチ角θ_ｐ、ロール角θ_ｒとして用いている。また、θ_ｐｍｉｎ、θ_ｒｍｉｎは共に０、θ_ｐｍａｘ、θ_ｒｍａｘはそれぞれ想定されるピッチ角、ロール角の絶対値の最大値とする。

このときの重み関数は次の通りである。

また、重みＷ（ｓ，θ）の状態方程式は、

ここで、係数行列及び補完係数は、

である。

一般化プラントは、

また、各係数行列は次の通りである。

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、重力により常に横方向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、積分補正を行う方法と、重力に対する補正項を導入する方法を用いる。

まず、積分補正を行う方法について説明する。この方法は、図５で示したブロック図の制御量をより細かく分解し、横偏差ｅ_２に対し積分項を導入することによりなされる。具体的には、図６で示すとおりの位置に積分項を導入するとよい。

次に、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、その車両重心点に横力Ｆ_ｙ０が作用するものとする。そして、この横力Ｆ_ｙ０による影響を除去するための重力補正入力δ_０が加えられたものとすると、自律走行車両１の等価二輪モデルの運動方程式より、

が得られ、これより、

が得られる。

したがって、必要とされる重力補正入力δ_０は

である。ここで、

であるから、重力補正入力δ_０は、自律走行車両１のロール角θ_ｒに基いて求められることになる。なお、ここでθ_ｒとして自律走行車両１の現在のロール角をそのまま用いてもよいが、過去の一定期間のロール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、過去５秒間のロール角の平均値をロール角θ_ｒとして用いている。求められた重力補正入力δ_０は、図６に示す位置に入力される。

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アンテナ、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ドライビングモータ、２５操作部、２６インタフェース、２７記憶部、２８位置・方位センサ。

Claims

自律走行車両であって、
あらかじめ定められた経路上の参照車両の位置及び方向である目標位置及び目標方向と、前記自律走行車両の現在位置及び現在方向に基いて、前記経路において、操舵角を制御する上で外乱が増大すると考えられる条件を直接的または間接的に示す前記自律走行車両の状態を示す量である車両状態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∞制御により操舵角目標値を求めるコントローラと、
前記操舵角目標値に基いて操舵輪を操舵するステアリングアクチュエータと、
を有する自律走行車両。
前記車両状態量が車両速度、ピッチ角及びロール角の少なくともいずれかを含む姿勢、並びに旋回速度の少なくともいずれかである請求項１に記載の自律走行車両。
前記コントローラは、前記自律走行車両のロール角に基いて、プラントに対する補償器の出力である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、前記目標位置と前記現在位置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。
前記目標位置と前記現在位置との前記偏差は、前記参照車両から見た前記自律走行車両の横偏差である請求項４に記載の自律走行車両。
自律走行車両の自律走行システムであって、
あらかじめ定められた経路上の参照車両の位置及び方向である目標位置及び目標方向と、前記自律走行車両の現在位置及び現在方向に基いて、前記経路において、操舵角を制御する上で外乱が増大すると考えられる条件を直接的または間接的に示す前記自律走行車両の状態を示す量である車両状態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∞制御により操舵角目標値を求めるコントローラと、
前記操舵角目標値に基いて操舵輪を操舵するステアリングアクチュエータを備えた車両と、
を有する自律走行車両の自律走行システム。
自律走行車両の制御方法であって、
あらかじめ定められた経路上の参照車両の位置及び方向である目標位置及び目標方向と、前記自律走行車両の現在位置及び現在方向に基いて、前記経路において、操舵角を制御する上で外乱が増大すると考えられる条件を直接的または間接的に示す前記自律走行車両の状態を示す量である車両状態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∞制御により操舵角目標値を求めるステップと、
前記操舵角目標値に基いて操舵輪を操舵するステップと、
を有する自律走行車両の制御方法。