JP6765568B2 - 車両の運動を制御する制御システム及び方法 - Google Patents

Description

本開示は、包括的には、自律運転モード及び手動運転モードの双方において動作する自動車ステアリングシステムに関し、より詳細には、車両の運転者のステアリング意図に基づく車両の制御に関する。

従来の機械的ステアリングシステムにおいて、ステアリングホイールが、ステアリングコラム及びステアリングラックを介して１つ以上の車輪に接続される。運転者がステアリングホイールに回転運動を印加すると、運動は、ステアリングコラムを介してピニオンに伝達される。ピニオンは、回転運動をステアリングラックの並進運動に変換し、これにより、車輪が動く。それゆえ、ステアリングホイール、ステアリングラック及び車輪は、ステアリングホイールの回転が車輪の回転を決定し逆もまた同様であるように、機械的に結合される。

従来のステアリングシステムの場合、ステアリングホイールの回転は、運転者によってステアリングホイールに印加されるトルクに依存する。このトルクは、ステアリング角度、ステアリング角度の変化率、及び回転の加速度を制御する。同様に、車輪の回転は、アクチュエータ、例えば、車輪の回転を制御するためにステアリングラックに配置されたモータによって車輪に印加されるトルクに依存する。そのために、車輪に印加されるトルクは、運転者によって印加されるトルクに直接依存する。

従来のアクティブステアリングシステムにおいて、ハーモニックモータ（harmonic motor）を含むバリアブルギアレシオ（variable gear ratio）等の追加アクチュエータは、車輪の回転がステアリングホイールの回転によって直接決定されるのではなく、車両の速度に基づいて調整することができるように追加の自由度を提供する。従来のアクティブステアリングシステムでは、これにより、ステアリングホイールのトルクを、車両の速度に依存して車輪のトルクにマッピングすることが可能になる。例えば、比較的低速の場合、アクティブステアリングは、ステアリングホイールを回転させなければならない量を低減し、したがって、駐車及び他の都市区域交通での操縦等の状況におけるパフォーマンスを達成する。比較的高速の場合、このパフォーマンスは、方向安定性を改善するために、速度からの通常の増加した応答性が回避されるようになっている。

従来のステアバイワイヤ（steer-by-wire）システムにおいて、ステアリングコラムとステアリングラックとの間に機械的リンケージが存在していない。ステアリングホイール及び車輪は、２つのアクチュエータに結合される。ステアリングコラムに配置された一方のアクチュエータは、ステアリングホイールの回転を制御し、ステアリングラックに配置されたもう一方のアクチュエータは、車輪の回転を制御する。ステアリングコラムとステアリングラックとの間の機械的接続がないにもかかわらず、従来のステアバイワイヤシステムは、運転者によって印加されるトルク、トルクを印加したことに応答した、運転者への触知性フィードバック、及び車輪に印加されるトルクの間の関係を維持する。例えば、特許文献１は、ステアリングホイールにかかる適切なフィードバックトルクを生成する従来の方法を記述している。

車両の半自律運転中、半自律運転計画（ＳＡＤＰ）システムは、運転者が引き続き車両を操作する間、運転者を支援することができる。例えば、車両の半自律運転は、衝突回避、安定性回復、車線維持のために用いることができる。特許文献２を参照されたい。

米国特許第６，３６３，３０５号 米国特許第８，１９０，３３０号

したがって、当該技術分野において、従来のアクティブステアリングシステム及び従来のステアバイワイヤシステムの限界を克服する、車両の運動を制御する制御システムに対する需要が存在する。

本開示の実施形態は、自律運転モード及び手動運転モードの双方において動作するステアリングシステムに関し、より詳細には、物を搬送する移動機械（mobile machine）の運転者のステアリング意図に基づいて、この移動機械を制御することに関する。

本開示は、制御システムの少なくとも１つのコントローラは、非限定的な例として、車両等の移動機械について自律モード及び手動モードの双方において動作することができる半自律ステアリングシステムを制御するとともにこのシステムにおける制約を強制するように構成することができるという理解に基づいている。換言すれば、本発明者らによる理解は、電動パワーステアリング（ＥＰＳ：Electric Power Steering）コントローラ等の、移動機械の制御システムの同一のコントローラを自律モード又は手動モードにおいて運転するのに用いることができる、というものである。本開示の少なくとも１つのアドオン特徴は、非限定的な例として、コントローラが制約を強制するためのリファレンスガバナタイプ特徴を含むことができ、ここで、リファレンスガバナは、入力がリファレンス、すなわち追跡される何らかの所望の値であるシステムの制約を強制する。具体的には、これらの制約は、制御システムの限界に対応し、車両の動作に関する安全性要件を設計する。例えば、車輪の運動に対するステアリングホイールの相対運動は、車両の運転可能性（drivability）を確実にするように、制約を用いて制御することができる。ステアリングホイールと車輪との相対運動に対する制約は、運転者が車両の制御及び運転可能性を喪失したと感じるまでの、ステアリングホイールと車輪との間の角度差及び／又は角速度差の程度を規定する運転可能性の考慮事項に基づくものとすることができる。運転可能性の考慮事項は、車両のタイプ及び／又は車両の運動の条件に依存することができ、相対運動に対する制約は、車輪角度の目標値とのアラインメントの迅速性を制限し得る。

上記の技術的イノベーションに至るために、本発明者らは、集中的な実験を行い、本発明者らによる実験を通して、本開示のシステム及び方法に至る理解を得た。

最初に、本発明者らは、本発明者らの課題をより深く理解するために、自律モード及び手動モードの双方において動作する車両の従来の制御システムを用いて実験した。本発明者らは、自律モードのコントローラは、手動モードに用いられるコントローラとは異なることを学習した。例えば、自律モードでは、自律モードにおいてのみ動作する、車両のコントローラが、非限定的な例として、経路計画システムから所望の進行方向を含む入力を受信し、この所望の進行方向をコントローラに渡し、コントローラが、所望の進行方向を追跡する。具体的には、コントローラは、追跡システムによって渡された所望の角度位置に車輪を作動させる。手動モードでは、手動モードにおいてのみ動作するコントローラが、ステアリングホイールにおいて測定されたトルク信号を受信し、運転者に支援トルクを提供するために、このトルク信号を増幅する。さらに、コントローラは、運転者がステアリングホイールを作動させたトルク量に比例して、運転者が車輪を作動させるのを支援するために追加トルクを提供する。それゆえ、自律モードにおいて動作するコントローラは、手動モードにおいて動作するコントローラとは異なり、これは、本発明者らが検討した解決策の選択肢又はタイプではない。

例えば、本発明者らは、２つの異なるコントローラ、すなわち自律モード用のコントローラ及び手動モード用のコントローラを、平滑なスイッチオーバータイプの特徴（すなわち、何らかの方法で自律コントローラから手動コントローラに、又はその逆に切り替えることによってモードを切り替えるスイッチオーバー特徴）と協調させようとする解決策を追求しなかった。本発明者らがこのタイプの平滑スイッチオーバー特徴の手法を検討しなかった少なくとも１つの理由は、単に、本発明者らによる実験から、そのような平滑スイッチオーバー手法は、２つのコントローラを必要とするので、非効率でありかつコストが高いことが導き出されたためである。

本発明者らは、ステアリングホイールのトルクを車輪のトルクに関連させることができる方法に関する、車両のステアリング制御システムを用いた実験も行った。本発明者らは、ステアリングホイールの回転は、運転者によってステアリングホイールに印加されるトルクに依存し、ここで、このトルクは、ステアリング角度、ステアリング角度の変化率、回転の加速度を制御し、車輪に印加されるトルクは、運転者によって印加されるトルクに直接依存するということを学習した。機械的に結合されたステアリングシステムの制御を用いて本発明者らが実験したいくつかの制御応用において、本発明者らは、ステアリングホイールのトルクが車輪のトルクに直接マッピングされることを発見した。さらに、本発明者らが発見したそのようなマッピングは、運転者が車両を制御するのを支援することを目標とした、ステアリングホイールのトルクの乗法とすることができる。本発明者らは、アクティブステアリングシステム及びステアバイワイヤシステムにおいて同様のマッピングを行うことができることも学習した。

本発明者らによる実験に基づいて、本発明者らは、ステアリングホイール及び／又は車輪に印加されるトルクは、運転の目的ではなく、車両を所望の進行方向に向けて運動させるという運転目的を達成するための方法であることを理解した。具体的には、本発明者らによる理解は、或る意味では、同一のコントローラ又は単一のコントローラを用いて、制約を強制するとともに、自律モード又は手動モードのいずれかにおいて移動機械、すなわち車両をステアリングすることができるように、手動で入力されたトルク信号を所望の進行方向（これは、運転者が進行したいと望む進行方向である）に「変換すること」として考えることができる。例えば、自律モードでは、制御システムのコントローラは、追跡システムによって渡された所望の角度位置に車輪を作動させることができる。手動モードでは、同一のコントローラが、運転者がステアリングホイールを作動させたトルク量に比例して、運転者が車輪を作動させるのを支援するために追加トルクを提供することができる。双方のモードにおいて、同一のコントローラが、上述したように、制御システムの限界に対応するとともに、安全性要件を設計する制約を強制することができる。

本開示のいくつかの実施形態は、少なくとも２つの構成要素を有するコントローラを含むことができる。第１の構成要素は、追跡及び安定化制御構成要素、又は追跡コントローラとすることができ、第２の構成要素は、トラッカーコントローラに特徴として追加される制約強制構成要素とすることができる。追跡コントローラは、アクションのタイプに依存して、所望のピニオン角度、すなわち車輪の角度を追跡して車輪を所望の車両角度に作動させるか、又は、運転者からの手動のトルク入力を追跡するかのいずれかを行うように設計することができる。制約強制構成要素は、例えば、達成可能なステアリング角度及びピニオンシャフト角度を得るとともに、許容可能な変化率を得るように制約される、トラッカーコントローラに加えられる特徴を含むことができる。換言すれば、制約強制構成要素は、所望のリファレンス角度入力を制約許容可能リファレンス角度に変更し、この変更されたリファレンス角度を追跡コントローラに渡し、これらの制約の強制は、リファレンスガバナによるものとすることができる。リファレンスガバナは、システム制約を強制するために閉ループシステムに前置されるアドオン特徴とすることができ、それにより、安全かつ信頼性が高い動作が確実になる。例えば、自律モードでは、制約強制構成要素は、リファレンス角度をトラッカーコントローラに渡す。手動モードでは、運転者がステアリングホイールを作動させ、リファレンス角度が、トルクセンサによって測定される運転者のトルクに比例したトルクに対応するように、運転者のトルクは、リファレンス車輪角度に変換することができる。本開示の背後にある少なくとも１つの態様は、上述したように、同一のコントローラを用いて、自律モード及び手動モードの双方において車輪を制御することができるように、運転者のトルクを所望の車両角度に変換することである。この構成は、自律モードではリファレンス角度を有効に追跡し、手動モードでは運転者に支援トルクを提供することができる一方で、基礎となるコントローラは、とりわけ、動作モードに依存して変更されない。

いくつかの実施形態のステアリングコントローラ全体の他の態様は、追跡及び安定化制御、又はトラッカーコントローラを、制約を考慮することなく構築することができ、その場合、リファレンスガバナ特徴を、制約を強制するために追跡リファレンス入力を変更するように構築することができるように、モジュール式とすることができる。

本開示のいくつかの実施形態は、ステアリング角度を、車輪に印加されるトルクにマッピングするとともに、運転自体ではなく運転の方法を制御するコントローラを含むことができる。このマッピングに関して、制御の目的は、車輪に印加されるトルクとすることができる。しかしながら、本発明者らは、実験から、そのような制御の目的は、方向を変更することを望む運転者の目的に常に対応するわけではなく、それゆえ、マッピング制御は、ステアリングホイールに補正トルクを印加する運転者の経験に依拠するということを発見した。とりわけ、ステアリング角度と車輪に印加されるトルクとの間のマッピングは、異なる車両について変動し得る。それゆえ、運転者は、車両の変更に際して、補正トルクの選択の感覚を調整する必要がある場合がある。

それゆえ、本発明者らは、この問題を克服するために別の理解を得た。これは、ステアリング角度は、トルクではなく、運転者によって意図される車両の所望の進行方向にマッピングすることができることであり、すなわち、ステアリングホイールにおける測定されたトルクを、運転者の推定された所望の進行方向又は意図された経路にマッピングすることである。具体的には、そのような方法において、制御の目的は、所望の進行方向に向けて車両の方向を変更することになり、制御の目的は、マッピングに加えて、及び／又は、マッピングの代わりに、種々の制御技法の適用を可能にする。付加的に、本発明者らは、制御の目的が車両の所望の進行方向である場合、そのような目的は、自律車両を運転する目的に対応し、フィードバックコントローラを再利用することができることを発見した。そのような制御の目的は、いくつかの運転応用について有利である。具体的には、ステアリング角度を通じて表現される運転者の意図を、車両の現在の進行方向と所望の進行方向との間の誤差の低減として定式化することにより、上述したように、マッピングに加えて、又はマッピングの代わりに、種々の制御技法を適用することが可能になる。

例えば、いくつかの実施形態は、フィードバックコントローラを用いて、所望の進行方向を追跡する。所望の進行方向を追跡するフィードバックコントローラは、マッピングコントローラよりも融通性があり、運転の種々の条件に追跡を適応させるように構成することができる。例えば、そのようなフィードバックコントローラは、車両に作用する擾乱を軽減し、制約を満たす安定した制御入力を生成し、測定不確実性を軽減することができる。

加えて、制御の目的が車両の所望の進行方向である場合、そのような目的は、自律車両の運転の目的に対応する。例えば、車両の半自律運転中、半自律運転計画（ＳＡＤＰ：Semi-Autonomous Driving Planning）システムが、運転者が依然として車両を動作させる間、運転者を支援することができる。ＳＡＤＰは、ステアリング角度にかかわらず、車両の進行方向の目標値を決定し、それにより、自律運転モード及び手動運転モードについて異なるコントローラをもたらす場合がある。

しかしながら、いくつかの実施形態は、ステアリング角度を車両の所望の進行方向に変換する。そのために、手動モード及び自律モードにおける車両の運動の制御は一様になり、実施形態は、自律モードにおいて用いられるコントローラを再利用することができる。そのような再利用は、半自律運転の制御アーキテクチャを簡略化する。

本開示の一実施形態は、車両の運動を制御する制御システムを開示する。制御システムは、車両のステアリングホイールに印加されたトルクの入力を示す信号を受信する受信機を備える。マッパは、受信された信号を、車両の内部状態に基づいて車両の所望の進行方向にマッピングする。センサは、車両の現在の進行方向の測定値を含む車両データを得る。フィードバックコントローラは、車両の現在の進行方向が、車両の所望の進行方向を追跡するように、車両の運動を制御する。メモリは、履歴ステアリング角度の、車両の履歴速度を伴う車両の所望の履歴進行方向へのマッピングを含む関数を記憶する。コンバータは、関数及び車両の現在の測定された速度を用いて車両の所望の進行方向を求める。車両の現在の測定された速度は、車両データから得られる。関数は、ステアリング角度、車両の現在の進行方向、及び車両の周囲の環境に基づいて車両の所望の進行方向を生成するようにトレーニングされたニューラルネットワークである。

本開示の別の実施形態は、車両の運動を制御する方法を開示する。この方法は、この方法を実施する記憶された命令と結合されたプロセッサを使用し、この命令は、プロセッサによって実行されると、この方法の少なくともいくつかのステップを実行するようになっている。この方法は、車両のステアリングホイールのステアリング角度を示す信号を受信することを含む。この方法は、マッパを用いて、受信された信号を、車両の内部状態に基づいて、車両の所望の進行方向にマッピングすることを含む。この方法は、センサを介して、車両の現在の進行方向の測定値を含む車両データを受信することを含む。この方法は、車両の現在の進行方向が、車両の所望の進行方向を追跡するように、フィードバックコントローラを用いて、車両の運動を制御することを含む。この方法は、メモリに、履歴ステアリング角度の、車両の履歴速度を伴う車両の所望の履歴進行方向へのマッピングを含む関数を記憶することを含む。この方法は、関数及び車両の現在の測定された速度を用いて車両の所望の進行方向を求めることであって、車両の現在の測定された速度は、車両データから得られることを含む。関数は、ステアリング角度、車両の現在の進行方向、及び車両の周囲の環境に基づいて車両の所望の進行方向を生成するようにトレーニングされたニューラルネットワークである。

本開示の別の実施形態は、プロセッサによって実行されると、コンピュータに、以下のステップを実行させるプログラム命令を含む非一時的コンピュータ可読記憶媒体を開示する。このステップは、車両のステアリングホイールのステアリング角度を示す信号を受信することを含む。このステップは、マッパを用いて、受信された信号を、車両の内部状態に基づいて、車両の所望の進行方向にマッピングすることを含む。このステップは、センサを介して、車両の現在の進行方向の測定値を含む車両データを受信することを含む。このステップは、フィードバックコントローラを用いて、車両の運動を制御するステップを含み、車両の現在の進行方向が、車両の所望の進行方向を追跡するように、ゲートは、車両が手動モードである場合、マッパによって決定される車両の所望の進行方向の値をフィードバックコントローラに渡し、そうではなく、車両が自律モードである場合、半自律運転計画（ＳＡＤＰ）システムによって決定される車両の所望の進行方向の値をフィードバックコントローラに渡すためのものである。このステップは、メモリに、履歴ステアリング角度の、車両の履歴速度を伴う車両の所望の履歴進行方向へのマッピングを含む関数を記憶することを含む。このステップは、関数及び車両の現在の測定された速度を用いて車両の所望の進行方向を求めるステップを含み、車両の現在の測定された速度は、車両のデータから得られる。関数は、ステアリングシステムの逆モデルを含む。

ここに開示されている実施形態は、添付図面を参照して更に説明される。示されている図面は、必ずしも一律の縮尺というわけではなく、その代わり、一般的に、ここに開示されている実施形態の原理を示すことに強調が置かれている。

本開示の実施形態による、車両の運動を制御する制御システムの方法のいくつかのフロープロセスステップのブロック図である。 本開示の実施形態による、経路計画アルゴリズムを含む特徴を更に提供する、図１Ａの方法のいくつかのフロープロセスステップのブロック図である。 本開示の実施形態による、物理ステアリングシステム（physical steering system）の概略図である。 本開示の実施形態による、図１Ａの自律モード受信機を示すブロック図である。 本開示の実施形態による、図１Ａの手動モード受信機を示すブロック図である。 本開示の実施形態による、図１Ａのマッパを示すブロック図である。 本開示の実施形態による、図１Ａのスイッチを示すブロック図である。 本開示の実施形態による、図１Ａの制約強制スキーム（constraint-enforcement scheme）を示すブロック図である。 本開示の実施形態による、追跡コントローラとして設計することができる、図１Ａのフィードバックコントローラを示すブロック図である。 本開示の実施形態による、追跡コントローラとして設計することができる、図１Ａのフィードバックコントローラを示すブロック図である。 本開示のいくつかの実施形態による、ニューラルネットワークのトレーニングの概略図である。 本開示の実施形態による、代替コンピュータ又はプロセッサを用いて実施することができる、図１Ａの方法を示すブロック図である。

以下の説明は、例示的な実施形態のみを提供し、本開示の範囲も、適用範囲も、構成も限定することを意図していない。そうではなく、例示的な実施形態の以下の説明は１つ以上の例示的な実施形態を実施することを可能にする説明を当業者に提供する。添付の特許請求の範囲に明記されているような開示された主題の趣旨及び範囲から逸脱することなく要素の機能及び配置に行うことができる様々な変更が意図されている。

以下の説明では、実施形態の十分な理解を提供するために、具体的な詳細が与えられる。しかしながら、当業者は、これらの具体的な詳細がなくても実施形態を実施することができることを理解することができる。例えば、開示された主題におけるシステム、プロセス、及び他の要素は、実施形態を不必要な詳細で不明瞭にしないように、ブロック図形式の構成要素として示される場合がある。それ以外の場合において、よく知られたプロセス、構造、及び技法は、実施形態を不明瞭にしないように不必要な詳細なしで示される場合がある。さらに、様々な図面における同様の参照符号及び名称は、同様の要素を示す。

また、個々の実施形態は、フローチャート、フロー図、データフロー図、構造図、又はブロック図として描かれるプロセスとして説明される場合がある。フローチャートは、動作を逐次的なプロセスとして説明することができるが、これらの動作の多くは、並列又は同時に実行することができる。加えて、これらの動作の順序は、再配列することができる。プロセスは、その動作が完了したときに終了することができるが、論述されない又は図に含まれない追加のステップを有する場合がある。さらに、特に説明される任意のプロセスにおける全ての動作が全ての実施形態において行われ得るとは限らない。プロセスは、方法、関数、手順、サブルーチン、サブプログラム等に対応することができる。プロセスが関数に対応するとき、その関数の終了は、呼び出し側関数又はメイン関数へのその機能の復帰に対応することができる。

さらに、開示された主題の実施形態は、少なくとも一部は手動又は自動のいずれかで実施することができる。手動実施又は自動実施は、マシン、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、又はそれらの任意の組み合わせを用いて実行することもできるし、少なくとも援助することができる。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア又はマイクロコードで実施されるとき、必要なタスクを実行するプログラムコード又はプログラムコードセグメントは、マシン可読媒体に記憶することができる。プロセッサ（複数の場合もある）が、それらの必要なタスクを実行することができる。

概略
本開示の実施形態は、自律運転モード及び手動運転モードの双方において動作する自動車ステアリングシステムに関し、より詳細には、車両の運転者のステアリング意図に基づく車両の制御に関する。

本開示は、制御システムの少なくとも１つのコントローラは、非限定的な例として、車両等の移動機械について自律モード及び手動モードの双方において動作することができる半自律ステアリングシステムを制御するとともにこのシステムにおける制約を強制するように構成することができるという理解に基づいている。換言すれば、本発明者らによる理解は、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）コントローラ等の、移動機械の制御システムの同一のコントローラを自律モード又は手動モードにおいて運転するのに用いることができる、というものである。本開示の少なくとも１つのアドオン特徴は、非限定的な例として、コントローラが制約を強制するためのリファレンスガバナタイプ特徴を含むことができ、ここで、リファレンスガバナは、入力がリファレンス、すなわち追跡される何らかの所望の値であるシステムの制約を強制する。具体的には、これらの制約は、制御システムの限界に対応し、車両の動作に関する安全性要件を設計する。例えば、車輪の運動に対するステアリングホイールの相対運動は、車両の運転可能性を確実にするように、制約を用いて制御することができる。ステアリングホイールと車輪との相対運動に対する制約は、運転者が車両の制御及び運転可能性を喪失したと感じるまでの、ステアリングホイールと車輪との間の角度差及び／又は角速度差の程度を規定する運転可能性の考慮事項に基づくものとすることができる。運転可能性の考慮事項は、車両のタイプ及び／又は車両の運動の条件に依存することができ、相対運動に対する制約は、車輪角度の目標値とのアラインメントの迅速性を制限し得る。

さらに、ステアリング角度の値、及び、車輪の角度の目標値を追跡する車輪の角度の値は、車輪の運動に対する制約、ステアリングホイールの運動に対する制約、ステアリングホイール及び車輪の作動に対する制約、車輪の運動に対するステアリングホイールの相対運動に対する制約を含む制約を受ける可能性がある。本開示のいくつかの実施形態は、ステアリング角度の値及び車輪角度の値に従ってコラムモータ及びラックモータに対する制御コマンドを生成して、車両を運転する半自律モード中にステアリングホイール及び車輪の協調制御を達成することができる。

上記の技術的イノベーションに至るために、本発明者らは、集中的な実験を行い、本発明者らによる実験を通して、本開示のシステム及び方法に至る理解を得た。

本発明者らによる実験に基づいて、本発明者らは、ステアリングホイール及び／又は車輪に印加されるトルクは、運転の目的ではなく、車両を所望の進行方向に向けて運動させるという運転目的を達成するための方法であることを理解した。具体的には、本発明者らによる理解は、或る意味では、同一のコントローラ又は単一のコントローラを用いて、制約を強制するとともに、自律モード又は手動モードのいずれかにおいて移動機械、すなわち車両をステアリングすることができるように、手動で入力されたトルク信号を所望の進行方向（これは、運転者が進行したいと望む所望の進行方向である）に「変換すること」として考えることができる。例えば、自律モードでは、制御システムのコントローラは、追跡システムによって渡された所望の角度位置に車輪を作動させることができる。手動モードでは、同一のコントローラが、運転者がステアリングホイールを作動させたトルク量に比例して、運転者が車輪を作動させるのを支援するために追加トルクを提供することができる。双方のモードにおいて、同一のコントローラが、他の制約の中でも、制御システムの限界に対応するとともに、安全性要件を設計する制約を強制することができる。

本開示のいくつかの実施形態は、少なくとも２つの構成要素を有するコントローラを含むことができる。第１の構成要素は、追跡及び安定化制御構成要素、又は追跡コントローラとすることができ、第２の構成要素は、トラッカーコントローラに特徴として追加される制約強制構成要素とすることができる。追跡コントローラは、車輪の角度と比例関係である所望のピニオン角度を追跡して車輪を所望の車両角度に作動させるかのいずれかを行うように設計することができる。

制約強制構成要素は、例えば、達成可能なステアリング角度及びピニオンシャフト角度又は許容可能な変化率を得るように制約を強制する、トラッカーコントローラに加えられる特徴を含むことができる。換言すれば、制約強制構成要素は、所望のリファレンス角度入力を制約許容可能リファレンス角度に変更し、この変更されたリファレンス角度を追跡コントローラに渡す。リファレンスガバナは、システム制約を強制するために閉ループシステムに前置されるアドオン特徴とすることができ、それにより、安全かつ信頼性が高い動作が確実になり得る。例えば、自律モードでは、制約強制構成要素は、リファレンス角度をトラッカーコントローラに渡す。手動モードでは、運転者がステアリングホイールを作動させ、リファレンス角度が、トルクセンサによって測定される運転者のトルクに比例したトルクに対応するように、運転者のトルクは、リファレンス車輪角度に変換することができる。本開示の背後にある少なくとも１つの態様は、上述したように、同一のコントローラを用いて、自律モード及び手動モードの双方において車両のステアリングを制御することができるように、運転者のトルクを所望の車両角度に変換することである。この構成は、自律モードではリファレンス角度を有効に追跡し、手動モードでは運転者に支援トルクを提供することができる一方で、基礎となるコントローラは、とりわけ、動作モードに依存して変更されない。

いくつかの実施形態のステアリングコントローラ全体の態様は、追跡及び安定化制御、又はトラッカーコントローラを、制約を考慮することなく構築することができ、その場合、リファレンスガバナ特徴を、制約を強制するために追跡リファレンス入力を変更するように構築することができるように、モジュール式とすることができる。

さらに、本開示のいくつかの実施形態は、ステアリング角度を、車輪に印加されるトルクにマッピングするとともに、運転自体ではなく運転の方法を制御するコントローラを含むことができる。このマッピングに関して、制御の目的は、車輪に印加されるトルクとすることができる。しかしながら、本発明者らは、実験から、そのような制御の目的は、方向を変更することを望む運転者の目的に常に対応するわけではなく、それゆえ、マッピングは、ステアリングホイールに補正トルクを印加する運転者の経験に依拠するということを発見した。とりわけ、ステアリング角度と車輪に印加されるトルクとの間のマッピングは、異なる車両について変動し得る。それゆえ、運転者は、車両の変更に際して、補正トルクの選択の感覚を調整する必要がある場合がある。

それゆえ、本発明者らは、この問題を克服するために別の理解を得た。これは、ステアリング角度は、トルクではなく、運転者によって意図される車両の所望の進行方向にマッピングすることができることであり、すなわち、ステアリングホイールにおける測定されたトルクを、運転者の推定された所望の進行方向又は意図された経路にマッピングすることである。具体的には、そのような方法において、制御の目的は、所望の進行方向に向けて車両の方向を変更することになり、制御の目的は、マッピングに加えて、及び／又は、マッピングの代わりに、種々の制御技法を適用することを可能にする。付加的に、本発明者らは、制御の目的が車両の所望の進行方向である場合、そのような目的は、自律車両を運転する目的に対応し、フィードバックコントローラを再利用することができることを発見した。そのような制御の目的は、いくつかの運転応用について有利である。具体的には、ステアリング角度を通じて表現される運転者の意図を、車両の現在の進行方向と所望の進行方向との間の誤差の低減として定式化することにより、上述したように、マッピングに加えて、又はマッピングの代わりに、種々の制御技法を適用することが可能になる。

例えば、いくつかの実施形態は、フィードバックコントローラを用いて、所望の進行方向を追跡する。所望の進行方向を追跡するフィードバックコントローラは、マッピングコントローラよりも融通性があり、運転の種々の条件に追跡を適応させるように構成することができる。例えば、そのようなフィードバックコントローラは、車両の擾乱を軽減し、制約を満たす安定した制御を生成し、及び／又は測定不確実性を考慮することができる。

加えて、制御の目的が車両の所望の進行方向である場合、そのような目的は、自律車両の運転の目的に対応する。例えば、車両の半自律運転中、半自律運転計画（ＳＡＤＰ）システムが、運転者が依然として車両を動作させる間、運転者を支援することができる。ＳＡＤＰは、ステアリング角度にかかわらず、車両の進行方向の目標値を決定し、それにより、自律運転モード及び手動運転モードについて異なるコントローラをもたらす場合がある。

しかしながら、いくつかの実施形態は、ステアリング角度を車両の所望の進行方向に変換する。そのために、手動モード及び自律モードにおける車両の運動の制御は一様になり、実施形態は、自律モードにおいて用いられるコントローラを再利用することができる。そのような再利用は、半自律運転の制御アーキテクチャを簡略化する。

図１Ａは、本開示の実施形態による、車両の運動を制御する制御システムの方法のいくつかのフロープロセスステップのブロック図を示している。詳細には、図１Ａは、自律モード又は手動モードのいずれかにおける既定の車両進行方向を追跡する方法１００Ａを示している。既定の車両進行方向は、ステップ１０５の後、マッパが所望の進行方向にマッピングすることができる自律モードに送信される軌跡とすることができることが考えられることに留意されたい。図面において、２つの可能な動作モード、すなわち、自律モード１０２及び手動モード１０３が存在する。自律モードでは、受信機１０５が、より上位レベルの経路計画システムから所望の車両進行方向を受信する。

手動モードでは、運転者は、ステアリングホイールを作動させ、受信機１０８は、このトルクの測定値を受信し、その後、このトルクは、以下で更に詳述されるプロセスを通してマッパ１０９によって所望の車両進行方向に変換される。このトルク対角度変換は、運転者の内部の所望の車両進行方向を推定しようと試みる。この変換により、所望の車両進行方向を達成するという目的のために自律モード又は手動モードのいずれにおいても単一のコントローラの使用が可能になる。このコントローラの機能を捉える方法は、ボックス１１５によって境界を定められる。方法は、２つの構成要素、すなわち、制約強制スキーム１１７、及びフィードバックコントローラ１１８からなる。制約強制スキーム１１７は、フィードバックコントローラからの状態測定値又は推定値を用いて、システム制約を強制する意図を用いて所望の車両進行方向を変更する。フィードバックコントローラ１１８は、センサ１１９から現在の車両進行方向の測定値を受信し、測定された車両進行方向が所望の車両進行方向を厳密に追跡するようにステアリングコラムを作動させるように設計される。

引き続き図１Ａを参照すると、スイッチ１１０を用いて、自律又は手動のいずれの信号を制御方法１１５に渡すのかを決定することができる。スイッチは、この目的で設計された方法１１２から受信されたコマンドによっていずれの信号を渡すのかを決定する。最も単純な事例では、方法１１２は、いずれのモードにおいて車両が動作するべきかを判定する、ボタンの押下を通じて運転者によって渡される信号とすることができ、より複雑な事例は、運転者から経路計画システムに、及び、経路計画システムから運転者に、制御をいつハンドオフするべきかを決定する学習ベースシステムを伴うことができる。例えば、リファレンス信号は、車輪に印加されるトルク量に関する運転者からのトルク信号、車輪が回転するべき角度に関する監視システム（supervisory system）からのリファレンス角度信号、車両が運動するべき方向に関する監視システムからのリファレンス進行方向信号とすることができる。

図１Ｂは、本開示の実施形態による、経路計画アルゴリズムを含む特徴を更に提供する、図１Ａの方法のいくつかのフロープロセスステップのブロック図である。方法１００Ｂは、１２７によって表される自律システムブロック１０２のコンテンツと、１３４によって表される手動システムブロック１０３のコンテンツと、１４２によって表されるデュアルモードブロック１１５のコンテンツとを含むことができる。自律モードでは、所望の車両経路及び要求される車両進行方向をプログラム的に判断する経路計画アルゴリズム１２５は、所望の車両進行方向１２７をスイッチングアルゴリズム１４０に渡す。手動モードでは、人間の運転者１３０は、ステアリングホイール１３２を作動させる。ステアリングホイールにかかる、運転者からのトルクは、トルクセンサによって測定され、このトルクは、本開示の一態様であるアルゴリズムによって所望の車両進行方向に変換される。このトルクは、スイッチングアルゴリズム１４０に渡され、このスイッチングアルゴリズムは、自律入力又は手動入力のいずれを渡すべきなのかを判定する。スイッチングアルゴリズムは、運転者の入力１３８を取ることができることに留意されたい。スイッチングアルゴリズムは、所望の車両角度をコントローラ１４２に渡し、このコントローラは、制約強制と、車両進行方向測定値１４４による、スイッチによって渡される所望の車両の進行方向の追跡とを実行する。追跡コントローラは、モータコマンド１４５をステアリングモータ１４６に渡し、このステアリングモータは、ステアリングコラム１４７を作動させる。運転者は、ステアリングホイール対ラック接続１４８を介してステアリングラック１４７を直接作動させることができることに留意されたい。これは、本開示のいくつかの実施形態の場合必須ではなく、例えば、接続が存在しない場合、ステアリングシステムは、通常、ドライブバイワイヤシステム（drive-by-wire system）と称される。

図１Ｃを参照する。図１Ｃは、本開示の実施形態による、物理ステアリングシステムの概略図である。物理ステアリングシステム１００Ｃは、ステアリングホイール１６０を或る特定の方向１６１に作動させる運転者を含むことができる。ステアリングホイールは、ステアリングコラム１６２を介して車輪に接続することができ、この事例において、運転者は、車輪を作動させる。車輪１６５を接続するステアリングコラム１６２及びシャフト１６３は、ラックモータ１６４によって作動される。ラックモータは、ステアリングホイールを作動させて、車輪の方向を方向１７２に変更する。同時に、ステアリングホイールシャフトは、車輪の方向がステアリングホイールの方向に対応するように作動されるので、ステアリングホイールの方向１７４が変更される。

本発明者らは、実験から、ステアリング制御システムを有する自律動作車両のための方法を設計することができると理解している。ステアリング制御システムは、追跡コントローラに渡される所望の進行方向を含むことができ、この追跡コントローラは、電動パワーステアリング（ＥＰＳ：Electronic Power Steering）モータに信号を渡して、所望の進行方向の追跡を確実にする。さらに、自律動作の事例において、自律動作は所望のリファレンス信号を追跡するので、リファレンスガバナタイプの手法を用いることができる。具体的には、リファレンスガバナは、制約強制スキームとしてのみ、コントローラを追跡するように適用されるアドオンスキームとすることができ、制約許容可能とみなすことができる追跡コントローラのリファレンス入力を決定する。

また、本発明者らは、実験から、ステアリング制御システムを有する手動動作車両のための方法を設計することができると理解している。例えば、ステアリング制御システムは、増幅器を用いて増幅することができるステアリングホイールにおけるトルクを測定することができ、この増幅器は、支援トルクを運転者に提供するために、ＥＰＳモータに信号を渡す。さらに、モデル予測制御（ＭＰＣ：Model Predictive Control）タイプの手法が、手動モードの事例における使用により適している。なぜならば、手動動作は、アクチュエータ信号を直接判断し、ＭＰＣは、アクチュエータ信号を直接操作するように設計されるためである。

しかしながら、本発明者らは、上記の実験されたステアリング制御システムから、これらのステアリング制御システムは双方とも、本開示の実施形態とは根本的に異なることを学習した。例えば、本発明者らが２つの実験上のステアリング制御システムを本開示の実施形態と比較したとき、本発明者らは、数ある問題の中でも、少なくとも１つの問題を認識した。すなわち、実験された制約強制手法の双方が、制約を考慮しないコントローラよりも多くの計算リソースを要求するという点で、計算的に負荷がはるかに高く、又は計算的にコストがはるかに高い。これは、本開示によれば、実験された制約強制手法の双方を並列して用いることは、制約強制メカニズムの１つのタイプのみを用いることと比較して望ましくないことを意味する。本開示によれば、本発明者らは、リファレンスガバナが自律動作モード及び手動動作モードの双方において用いられることを可能にする方法を提供する。例えば、制約強制スキームは、方法６００を含むことができ、方法６００において、スキーム自体は、リファレンスガバナと呼ぶことができ、これは、制約を考慮に入れることなく設計されたフィードバックコントローラにアドオンされるように設計される制約強制スキームである（図６を参照）。

図２は、本開示の実施形態による、図１Ａの自律モード受信機１０５を示すブロック図である。自律モード受信機は、方法２００を含むことができ、方法２００において、車両の所望の進行方向２０５は、経路計画スキームから受信することができ、自律モード受信機２１０へ直接渡して、経路計画アルゴリズムから受信された所望の車両進行方向２１５として出力することができる。

図３は、本開示の実施形態による、図１Ａの手動モード受信機１０８を示すブロック図である。手動モード受信機は、方法３００を含むことができ、方法３００において、入力であるトルク信号３０５は、ステアリングホイールにアタッチされたセンサから受信することができ、手動モード受信機３１０へ直接渡して、トルクセンサから受信されたステアリングホイールにかかるトルクの測定値３１５として出力することができる。

図４は、本開示の実施形態による、図１Ａのマッパ１０９を示すブロック図である。マッパは、方法４００を含むことができ、方法４００において、マッパは、車両の状態及び車両の周囲の環境４２０に関する追加情報とともに、ステアリングホイールトルク信号４０５を受信する。マッパは、運転者の所望の車両進行方向４１５を推定するのに用いることができるプログラミングされたスキーム４１０とともに内部メモリ４１２を有することができる。スキーム自体は、較正エンジニアの経験を通して決定される、予めプログラミングされたマップとすることができる。このスキームは、利用可能なトルクセンサ及び環境データから所望の進行方向を推定する少なくとも１つの方法である。さらに、スキームは、車両の運転を通して運転者の挙動に基づいてそれ自体変更する、洗練された学習アルゴリズムとすることができる。

ステアリングホイールにかかる運転者のトルクから車両進行方向を決定することができる方法の非限定的な例として、マッパは、運転者がステアリングホイールを作動させているトルクを用いて実行しようと試みている場合がある操作のタイプを示す車両状態とともに、測定されたトルクから進行方向を決定することができる。これらの状態は、限定するものではないが、車両の位置、車両の速度、現在の車両進行方向、車輪の瞬時方向、車両の計画された経路、道路上の天候条件、及び、例えば車内ムード認識システム（in-car mood recognition system）によって決定される運転者の心理状態を含むことができる。さらに、状態は、直接測定することもできるし、車両データから間接的に推定することもできる。ステアリングホイールにかかる運転者のトルクから車両進行方向を決定することができる方法のより具体的で非限定的な例として、運転者を、入力が所望の進行方向であるとともに、出力がステアリングホイールトルクであり、車両の状態に依存する制御システムとしてモデル化することができ、このモデルの逆を、ステアリングホイールトルク及び他の車両状態から所望の進行方向へのマップとして用いることができる。

マッパは、ステアリング入力を車両進行方向にマッピングすることに必ずしも限定されない。別の実施形態では、マッパは、ステアリング入力を所望のステアリングホイール角度にマッピングする。これは、マッパが利用可能な環境データがない場合に好ましい。ステアリング角度は、車両進行方向と同じ方法で用いることができる。すなわち、ステアリング角度は、経路計画アルゴリズムの出力とすることができる。追跡コントローラは、所望のステアリング入力を追跡するように設計することができる。

図５は、本開示の実施形態による、図１Ａのスイッチ１１０を示すブロック図である。スイッチは、方法５００を含むことができ、方法５００において、スイッチは、自律モード５０５の動作及び手動モード５０７の動作から所望の進行方向を受信する。スイッチ５１０は、トグル５２０の値に基づいてこれらの２つの信号のうちの一方の信号５１５を出力し、トグルが自律モード動作に設定される場合、スイッチは、自律モード動作からの信号を渡し、トグルが手動モード動作に設定される場合、スイッチは、手動モード動作からの信号を渡す。トグルの値は、運転者の入力を通じて決定することができ、運転者は、例えば、ボタンを押下して、車両の動作モードを決定する。さらに、トグルは、車両の内部動作システムが、自律システムと運転者との間のハンドオフを実行して、好ましい動作モードを決定するより洗練されたスキームを用いて決定することができる。例えば、これは、環境条件が自律モード動作には過度に困難であるとみなされ、運転者へのハンドオフが好ましいとみなされる状況において実施することができる。

図６は、本開示の実施形態による、図１Ａの制約強制スキーム１１７を示すブロック図である。上述したように、制約強制スキームは、方法６００を含むことができ、方法６００において、スキーム自体は、リファレンスガバナと呼ぶことができ、これは、制約を考慮に入れることなく設計されたフィードバックコントローラにアドオンされるように設計される制約強制スキームである。リファレンスガバナ６１０は、所望の車両進行方向６０５を受信し、この所望の車両進行方向を、制約許容可能な車両進行方向６１５に変更する。これは、リファレンス入力、すなわち、所望の車両進行方向６０５及びステアリングホイールシステムの現在の状態６２０を、内部メモリ６１２に記憶された安全なリファレンス入力／現在の状態ペアのセットと比較することによって行われる。リファレンス入力が安全ではないとみなされる場合、安全であるとみなすことができる最も近いリファレンス入力が選択され、変更されたリファレンス入力６１５として渡される。

図７Ａは、本開示の実施形態による、追跡コントローラとして設計することができる、図１Ａのフィードバックコントローラ１１８を示すブロック図である。フィードバックコントローラ／追跡コントローラは、方法７００を含むことができる。方法７００において、追跡コントローラ７１０は、所望の車両進行方向７０５、及び測定された現在の車両の進行方向７２０と、ステアリングシステム状態及び追跡コントローラのコントローラ状態７１２の測定値又は推定値との双方を受信する。追跡コントローラは、この情報を用いて、ＥＰＳモータのためのアクチュエータ信号７１５を求めるように設計される。これにより、測定された進行方向７２０が所望の進行方向７０５を漸近的に近似することが確実になる。

図７Ｂは、追跡コントローラ及びリファレンスガバナの動作の一例示の実施態様を示している。これらの動作は、以下で記載するように、リンクされる。追跡コントローラ７６４は、以下の微分方程式を用いてステアリングシステムの動作をモデル化することができるという認識で設計される。

ここで、Ｘは、ステアリングシステムの内部状態７７１を表しており、Ｕは、アクチュエータへのモータコマンド７６７であり、内部状態は、ステアリングホイールの位置、車輪の位置、及びそれらの変化率を含むが、必ずしもこれらに限定されるものではない。車両の進行方向又は追跡変数７７４、すなわち、所望の変数７５５を追跡するのに必要ないずれかの数量を表す変数は、以下の代数方程式によって表すことができる。

モータコマンドＵは、以下の別の微分方程式に対する解を通じて追跡コントローラ７６４によって求められる。

ここで、

は、コントローラの内部状態７６５を表しており、これは、必ずしもいずれかの特定の物理的数量を表しているわけではない。

は、典型的に、内部状態は直接測定せず、推定アルゴリズム７７２を介して推定しなければならないので、内部状態Ｘの推定された値を表している。Ｒは、追跡されているいずれかの数量７５５の所望の進行方向又は所望の値を表す。代数方程式

とともに、微分方程式（３）は、値Ｙが所望の値Ｒを追跡するように、すなわち、これら２つの間の差７７５が小さいままであるようにＹがＲを近似するように設計される。

方程式（１）及び（２）によって記述されるシステムは、制約を受ける。例えば、車輪は、或る特定の量を超えた回転からは物理的に制約される。システムに対する他の制約は、ステアリングホイール又は車輪の変化率に対する制約を含む。しかしながら、原理的に、制約は、内部状態Ｘ及び

並びに所望の値Ｒに対する任意のものとすることができ、数学的には、制約は、タプル

が制約セットＣ内に存在しなければならず、以下の集合構成要素関係（set-membership relation）によって記述することができる。

リファレンスガバナ７５８は、（５）において制約忠実性を確実にするように、値Ｒを、Ｒから変更された値Ｖ７６１に変更するように設計される。１つの実施形態では、タプル

が制約を満たさない場合、リファレンスガバナは、

となるように最も近いＶを選択する。ここで、

は、推定された状態７７２のみをリファレンスガバナが利用可能とすることができることを示すのに用いられた。

図８は、いくつかの実施形態による、ニューラルネットワークのトレーニングの概略図を示している。トレーニングは、センサ入力及び対応する進行方向、例えば、挙動のシーケンスのトレーニングセットを用いて、（この例の場合）ニューラルネットワーク挙動を生成する。一般に、機械学習アルゴリズムのトレーニングは、時に「学習」アルゴリズムと称されるトレーニングアルゴリズムを適用することを含む。トレーニングセットは、入力の１つ以上のセット及び出力の１つ以上のセットを含むことができ、入力の各セットは、出力のセットに対応する。トレーニングセット内の出力のセット８０２は、例えばニューラルネットワークの場合、入力の対応するセット８０１がニューラルネットワークに入力されるときに生成されることが所望される出力のセットを含む。

例えば、１つの実施形態は、ニューラルネットワークをトレーニングする。トレーニング８１０は、関数８２０の係数又は成分を用いて関数を構築することを伴う。この関数は、学習を通じて得られた方法においてともに組み合わせられると、センサデータ８０１のシーケンスを、左折又は右折等の所望の進行方向にマッピングする関数をもたらす。

別の実施形態は、報酬を用いてニューラルネットワークをトレーニングする。トレーニング８１０は、センサデータ８０１のシーケンスを、報酬８０４を用いて、車両の経路８０３等の、車両の進行方向を示す未来の軌跡８０２にマッピングすることを伴う。ここで、深層ニューラルネットワークの報酬は、事前に規定されている。報酬は、例えば、所望の運転スタイルに基づいて、及び／又は、車両の運動の仕様に対して、選択することができる。

いくつかの実施形態では、ニューラルネットワークは、結果として得られるネットワークの動的な時間的挙動を可能にするリカレントニューラルネットワークの形態のエンコーダネットワーク及びデコーダネットワークからなる。長期短期記憶リカレントニューラルネットワーク（long-term-short-term memory recurrent neural network）又は積重リカレントニューラルネットワーク（stacked recurrent neural network）等のリカレントニューラルネットワークの種々のバージョンを利用することができる。リカレントニューラルネットワークは、いくつかの層を有することができる。各層は、全結合とすることもできるし、畳み込みとすることもできる。

トレーニングデータは、車載センサからの入力時系列信号と、例えば、必ずしもそうではないが、車両に対するデカルト座標のシーケンス、又は車両の進行方向角度のシーケンスとして与えられる、所望の出力車両軌跡とを含むことができる。加えて、トレーニングデータは、例えば、車両の乗員によって与えられる所望の速度プロファイルを含むことができる。入力データは、トレーニングされている現在の運転スタイルに従ってラベル付けすることができる。いくつかのニューラルネットワークは、好ましい運転スタイルの数に従ってトレーニングすることができる。対応するラベル付けされたデータは、ニューラルネットワークを全ての運転スタイルに調整する。

例えば、車両の操縦者又は別のユーザは、用いられることになる運転スタイルを選択することができ、又は、操縦者は、車両の現在のユーザに適した運転スタイルを車両に判定させることを選択することができ、その場合、この運転スタイルは、車両のメモリから選択される。出力軌跡は、速度情報を含むことができ、又は、出力軌跡を、時間情報が付随することなく記述することができる。時系列信号は、車両の運動に対する制約を示す情報を計算するためにエンコーダネットワークに送信される。次いで、この情報は、所望の軌跡に一致する出力軌跡を生成するためにデコーダネットワークに渡される。生成された軌跡と所望の軌跡との間の不一致は、ニューラルネットワーク重みを更新するための教師信号（supervised signal）を提供する。トレーニングは、モーメンタム付与確率的勾配降下アルゴリズム（stochastic gradient descent with momentum algorithm）等の、オフザシェルフの（off-the-shelf）フィードフォワードニューラルネットワークトレーニングアルゴリズムを介して達成することができる。デコーダネットワーク及びエンコーダネットワークはともにトレーニングされる。なぜならば、これら２つのネットワークが別個にトレーニングされた場合、エンコーダネットワークのための出力ターゲットが存在しないとともにデコーダネットワークのための入力信号が存在しないことになるためである。さらに、リカレントニューラルネットワークの構造により、過去の軌跡を観測することによって未来の軌跡を学習することができることが確実になる。

また、ネットワークのトレーニングは、異なる運転スタイルを模倣するシミュレートされたデータを用いて行うこともできる。そのような手法を用いると、現実の運転者に完全には相当しないものの、トレーニング段階及びデータ収集の量は、大幅に削減することができる。

特徴
制御システムの態様は、フィードバックコントローラが、車両の現在の進行方向と車両の所望の進行方向との間の誤差を低減するトルクの値を求めることができ、モータに、求められたトルクに基づいて車両の車輪を回転させるようにコマンドすることを含むことができる。所望の進行方向は、規定の制約を違反すると判断された場合、制約強制アルゴリズムによって変更され得る。また、リファレンスガバナは、所望の進行方向、車両システムの内部状態、フィードバックコントローラの内部状態、又はこれらの任意の組み合わせのうちの１つが、規定の制約の違反を結果的に引き起こす場合、所望の進行方向の或る量を変更することができる。制約は、車輪の運動に対する制約、ステアリングホイールの運動に対する制約、ステアリングホイール及び車輪の作動に対する制約、車輪の運動に対するステアリングホイールの相対運動に対する制約からなる群からのものである。

制御システムの別の態様は、フィードバックコントローラが車両のモータに、ステアリングホイールに印加されたトルク及びフィードバックコントローラによって求められたトルクの重み付き組み合わせに基づいて車輪を回転するようにコマンドするように、車両のステアリングホイールへの印加時に、受信された信号からの印加されたトルクの入力により、ステアリングホイール角度が変更されることを含むことができる。制御システムの一態様は、車両の運動に対する制約を条件として、現在の進行方向と、所望の進行方向との間の誤差のコスト関数を最適化することができるフィードバックコントローラを含むことができる。

さらにまた、一態様は、履歴ステアリング角度の、車両の履歴速度を伴う車両の所望の履歴進行方向へのマッピングを含む関数を記憶するメモリを備えることができる。コンバータは、この関数及び車両の現在の測定された速度を用いて車両の所望の進行方向を求める。車両の現在の測定された速度は、車両データから得られる。マッピングは、車両の速度に基づいて変化する。また、関数は、ステアリング角度、車両の現在の進行方向、及び車両の周囲の環境に基づいて車両の所望の進行方向を生成するようにトレーニングされたニューラルネットワークとすることができる可能性がある。さらにまた、関数は、ステアリングシステムの逆モデルを含むことができる。制御システムは、車両が手動モードにある場合、マッパによって求められた車両の所望の進行方向の値をフィードバックコントローラに渡すとともに、そうではなく、車両が自律モードにある場合、フィードバックコントローラに、半自律運転計画（ＳＡＤＰ）システムによって求められた車両の所望の進行方向の値をフィードバックコントローラに渡すゲートを更に備えることができる。ゲートは、マッパ又はＳＡＤＰシステムのいずれかをコントローラに接続するスイッチを含む。

制御システムの別の態様は、車両が所望の進行方向を追跡するように車両の運動を連続的に制御することができるフィードバックコントローラを備え、車両が車両の所望の進行方向を追跡していない場合、フィードバックコントローラは、車両の所望の進行方向への車両の方向転換を提供する、方向転換モデルに基づいて車両の運動を方向転換する。

方法の一態様は、モータコマンドによる或る量の作動により車両ステアリングシステムの車輪の方向が回転するように、車両の現在の進行方向と車両の所望の進行方向との間の誤差を低減させるために、フィードバックコントローラが、微分方程式に対する解に基づいてモータコマンドを決定することを含むことができる。信号から受信される印加されたトルクの入力は、ステアリングホイールに印加されるとステアリング角度の変化を引き起こす。決定されるモータコマンドは、ステアリングホイールに印加されたトルクの量と、フィードバックコントローラによって決定されたモータコマンドとの重み付き組み合わせに基づいて車輪を回転させるように車両のモータにコマンドする。

方法は、手動モード又は自律モードのいずれかである車両の運転モードを決定することを更に含むことができる。すなわち、方法は、車両が手動モードである場合、信号からマッピングされた車両の所望の進行方向の値をフィードバックコントローラに渡すことを含むことができる。そうではなく、車両が自律モードである場合、方法は、半自律運転計画（ＳＡＤＰ）システムによって決定される車両の所望の進行方向の値をフィードバックコントローラに渡すことを含むことができる。また、方法の一態様は、受信された信号が、車両の速度に基づいて車両の所望の進行方向にマッピングされることを含むことができる。

図９は、本開示の実施形態による、代替のコンピュータ又はプロセッサを用いて実施することができる、図１Ａの方法を示すブロック図である。コンピュータ９１１は、プロセッサ９４０と、コンピュータ可読メモリ９１２と、記憶デバイス９５８と、ディスプレイ９５２及びキーボード９５１とのユーザインターフェース９４９とを備え、これらは、バス９５６を通じて接続されている。例えば、プロセッサ９４０及びコンピュータ可読メモリ９１２と通信するユーザインターフェース９４９は、ユーザによるユーザインターフェース９４９の表面、例えば、キーボード表面からの入力を受信すると、測定データを入手し、コンピュータ可読メモリ９１２内に記憶する。

メモリ９１２は、プロセッサによって実行可能な命令と、履歴データと、本開示の方法及びシステムによって利用することができる任意のデータとを記憶できることが意図されている。プロセッサ９４０は、シングルコアプロセッサ、マルチコアプロセッサ、コンピューティングクラスタ、又は任意の数の他の構成体とすることができる。プロセッサ９４０は、バス９５６を通じて１つ以上の入力デバイス及び出力デバイスに接続することができる。メモリ９１２は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、又は他の任意の適したメモリシステムを含むことができる。

図９を更に参照すると、記憶デバイス９５８は、プロセッサによって用いられる補助データ及び／又はソフトウェアモジュールを記憶するように構成することができる。例えば、記憶デバイス９５８は、履歴デバイスデータと、デバイスのマニュアル等の他の関連したデバイスデータとを記憶することができる。デバイスは、本開示に関して上述したような測定データを取得することが可能な検知デバイスである。加えて又は代替的に、記憶デバイス９５８は、測定データと同様の履歴データを記憶することができる。記憶デバイス９５８は、ハードドライブ、光ドライブ、サムドライブ、ドライブのアレイ、又はそれらの任意の組み合わせを含むことができる。

システムは、任意選択で、バス９５６を通じて、システムをディスプレイデバイス（図示せず）に接続するように構成されたディスプレイインターフェース（図示せず）にリンクすることができ、ディスプレイデバイスは、とりわけ、コンピュータモニタ、カメラ、テレビ、プロジェクタ、又はモバイルデバイスを含むことができる。

コンピュータ９１１は、電力源９５４を備えることができる。用途に応じて、電力源９５４は、任意選択でコンピュータ９１１の外部に配置されてもよい。プリンタインターフェース９５９も、バス９５６を通じて接続することができ、印刷デバイス９３２に接続するように構成することができる。印刷デバイス９３２は、とりわけ、液体インクジェットプリンタ、固体インクプリンタ、大規模商用プリンタ、感熱式プリンタ、ＵＶプリンタ、又は昇華型プリンタを含むことができる。ネットワークインターフェースコントローラ（ＮＩＣ）９３４は、バス９５６を通じてネットワーク９３６に接続するように構成され、とりわけ、測定データ又は他のデータは、コンピュータ９１１の外部の第三者ディスプレイデバイス、第三者撮像デバイス、及び／又は第三者印刷デバイス上にレンダリングすることができる。

図９を更に参照すると、とりわけ、測定データ又は他のデータは、ネットワーク９３６の通信チャネルを介して送信することができ、及び／又は、記憶及び／又は更なる処理のために記憶デバイス９５８内に記憶することができる。さらに、測定データ又は他のデータは、受信機９４６（又は外部受信機９３８）から無線又は配線接続で受信することもできるし、送信機９４７（又は外部送信機９３９）を介して無線又は配線接続で送信することもできる。受信機９４６及び送信機９４７は、ともにバス９５６を通じて接続されている。コンピュータ９１１は、入力インターフェース９０８を介して外部検知デバイス９４４及び外部入力／出力デバイス９４１に接続することができる。コンピュータ９１１は、他の外部コンピュータ９４２に接続することができる。さらに、コンピュータ９１１は、メモリデバイス９０６と、センサ９０４と、車両９０２の制御システムとに接続することができる。出力インターフェース９０９を用いて、プロセッサ９４０からの処理されたデータを出力することができる。

上述した本開示の実施形態は、数多くの方法のうちの任意のもので実施することができる。例えば、実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせを用いて実施することができる。請求項の要素を修飾する、特許請求の範囲における「第１」、「第２」等の序数の使用は、それ自体で、１つの請求項の要素の別の請求項の要素に対する優先順位も、優位性も、順序も暗示するものでもなければ、方法の動作が実行される時間的な順序も暗示するものでもなく、請求項の要素を区別するために、単に、或る特定の名称を有する１つの請求項の要素を、同じ（序数の用語の使用を除く）名称を有する別の要素と区別するラベルとして用いられているにすぎない。

また、本明細書において略述された様々な方法又はプロセスは、上述したように、様々なオペレーティングシステム又はプラットフォームのうちの任意の１つを用いる１つ以上のプロセッサ上で実行可能なソフトウェアとしてコード化することができる。加えて、そのようなソフトウェアは、複数の適したプログラミング言語及び／又はプログラミングツール若しくはスクリプティングツールのうちの任意のものを用いて記述することができ、実行可能機械語コード、又はフレームワーク若しくは仮想機械上で実行される中間コードとしてコンパイルすることもできる。通常、プログラムモジュールの機能は、様々な実施形態において所望に応じて組み合わせることもできるし、分散させることもできる。

Claims (18)

1. 車両の運動を制御する制御システムであって、
   前記車両のステアリングホイールに印加されたトルクの入力を示す信号を受信する受信機と、
   前記受信された信号を、前記車両の内部状態に基づいて前記車両の所望の進行方向にマッピングするマッパと、
   前記車両の現在の進行方向の測定値を含む車両データを得るセンサと、
   前記車両の前記現在の進行方向が、前記車両の前記所望の進行方向を追跡するように、前記車両の運動を制御するフィードバックコントローラと、
   履歴ステアリング角度の、前記車両の履歴速度を伴う前記車両の所望の履歴進行方向へのマッピングを含む関数を記憶するメモリと、
   前記関数及び前記車両の現在の測定された速度を用いて前記車両の前記所望の進行方向を求めるコンバータであって、前記車両の前記現在の測定された速度は、前記車両データから得られる、コンバータと、
   を備え、
   前記関数は、ステアリング角度、前記車両の前記現在の進行方向、及び前記車両の周囲の環境に基づいて前記車両の前記所望の進行方向を生成するようにトレーニングされたニューラルネットワークである、制御システム。
2. 前記フィードバックコントローラは、前記車両の前記現在の進行方向と前記車両の前記所望の進行方向との間の誤差を低減するトルクの値を求め、モータに、前記求められたトルクに基づいて前記車両の車輪を回転させるようにコマンドする、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記所望の進行方向は、規定の制約を違反すると判断された場合、制約強制アルゴリズムによって変更される、請求項２に記載の制御システム。
4. 前記所望の進行方向、前記車両の制御システムの内部状態、前記フィードバックコントローラの内部状態、又はこれらの任意の組み合わせのうちの１つが、規定の制約の違反を結果的に引き起こす場合、前記所望の進行方向の或る量を変更するリファレンスガバナをさらに備える、請求項２に記載の制御システム。
5. 前記規定の制約は、前記車輪の運動に対する制約、ステアリングホイールの運動に対する制約、前記ステアリングホイール及び前記車輪の作動に対する制約、前記車輪の運動に対する前記ステアリングホイールの相対運動に対する制約からなる群からのものである、請求項４に記載の制御システム。
6. 前記フィードバックコントローラが前記車両のモータに、前記ステアリングホイールに印加されたトルク及び前記フィードバックコントローラによって求められたトルクの重み付き組み合わせに基づいて前記車両の車輪を回転するようにコマンドするように、前記受信された信号からの前記印加されたトルクの入力により、前記車両の前記ステアリングホイールへの印加時に、ステアリングホイール角度が変更される、請求項１に記載の制御システム。
7. 前記フィードバックコントローラは、前記車両の運動に対する制約を条件として、前記現在の進行方向と、前記所望の進行方向との間の誤差のコスト関数を最適化する、請求項１に記載の制御システム。
8. 前記マッピングは、前記車両の速度に基づいて変化する、請求項１に記載の制御システム。
9. 前記関数は、ステアリングシステムの逆モデルを含む、請求項１に記載の制御システム。
10. 前記車両が手動モードにある場合、前記マッパによって求められた前記車両の前記所望の進行方向の値を前記フィードバックコントローラに渡すとともに、そうではなく、前記車両が自律モードにある場合、前記フィードバックコントローラに、半自律運転計画（ＳＡＤＰ）システムによって求められた前記車両の前記所望の進行方向の値を前記フィードバックコントローラに渡すゲートを更に備える、請求項１に記載の制御システム。
11. 前記ゲートは、前記マッパ又は前記ＳＡＤＰシステムのいずれかを前記フィードバックコントローラに接続するスイッチを含む、請求項１０に記載の制御システム。
12. 前記フィードバックコントローラは、前記車両が前記所望の進行方向を追跡するように前記車両の運動を連続的に制御し、前記車両が前記車両の前記所望の進行方向を追跡していない場合、前記フィードバックコントローラは、前記車両の前記所望の進行方向への前記車両の方向転換を提供する、方向転換モデルに基づいて前記車両の運動を方向転換する、請求項１に記載の制御システム。
13. 車両の運動を制御する方法であって、前記方法は、前記方法を実施する記憶された命令と結合されたプロセッサを使用し、前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記方法の少なくともいくつかのステップを実行するようになっており、前記方法は、
    前記車両のステアリングホイールのステアリング角度を示す信号を受信することと、
    マッパを用いて、前記受信された信号を、前記車両の内部状態に基づいて、前記車両の所望の進行方向にマッピングすることと、
    センサを介して、前記車両の現在の進行方向の測定値を含む車両データを受信することと、
    前記車両の前記現在の進行方向が、前記車両の前記所望の進行方向を追跡するように、フィードバックコントローラを用いて、前記車両の運動を制御することと、
    メモリに、履歴ステアリング角度の、前記車両の履歴速度を伴う前記車両の所望の履歴進行方向へのマッピングを含む関数を記憶することと、
    前記関数及び前記車両の現在の測定された速度を用いて前記車両の前記所望の進行方向を求めることであって、前記車両の前記現在の測定された速度は、前記車両データから得られることと、
    を含み、
    前記関数は、前記ステアリング角度、前記車両の前記現在の進行方向、及び前記車両の周囲の環境に基づいて前記車両の前記所望の進行方向を生成するようにトレーニングされたニューラルネットワークである、方法。
14. 前記フィードバックコントローラは、モータコマンドによる或る量の作動により前記車両のステアリングシステムの車輪の方向が回転するように、前記車両の前記現在の進行方向と前記車両の前記所望の進行方向との間の誤差の低減を提供するモータコマンドモデルに基づいて前記モータコマンドを決定する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記信号から受信される印加されたトルクの入力は、前記ステアリングホイールに印加されると前記ステアリング角度の変化を引き起こし、前記決定されるモータコマンドは、前記ステアリングホイールに印加されたトルクの量と、前記フィードバックコントローラによって決定された前記モータコマンドとの重み付き組み合わせに基づいて前記車輪を回転させるように前記車両のモータにコマンドする、請求項１４に記載の方法。
16. 手動モード又は自律モードのいずれかである前記車両の運転モードを決定することと、
    前記車両が前記手動モードである場合、前記信号からマッピングされた前記車両の前記所望の進行方向の値を前記フィードバックコントローラに渡すことと、
    前記車両が前記自律モードである場合、半自律運転計画（ＳＡＤＰ）システムによって決定される前記車両の前記所望の進行方向の値を前記フィードバックコントローラに渡すことと、
    を更に含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記受信された信号は、前記車両の速度に基づいて前記車両の前記所望の進行方向にマッピングされる、請求項１３に記載の方法。
18. プロセッサによって実行されると、コンピュータに、以下のステップを実行させるプログラム命令を含む非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、前記ステップは、
    車両のステアリングホイールのステアリング角度を示す信号を受信するステップと、
    前記受信された信号を、前記車両の内部状態に基づいて、マッパを用いて前記車両の所望の進行方向にマッピングするステップと、
    センサを介して、前記車両の現在の進行方向の測定値を含む車両データを受信するステップと、
    フィードバックコントローラを用いて、前記車両の運動を制御するステップであって、前記車両の前記現在の進行方向が、前記車両の前記所望の進行方向を追跡するように、ゲートは、前記車両が手動モードである場合、前記マッパによって決定される前記車両の前記所望の進行方向の値を前記フィードバックコントローラに渡し、そうではなく、前記車両が自律モードである場合、前記フィードバックコントローラに、半自律運転計画（ＳＡＤＰ）システムによって決定される前記車両の前記所望の進行方向の値を前記フィードバックコントローラに渡すためのものである、ステップと、
    メモリに、履歴ステアリング角度の、前記車両の履歴速度を伴う前記車両の所望の履歴進行方向へのマッピングを含む関数を記憶するステップと、
    前記関数及び前記車両の現在の測定された速度を用いて前記車両の前記所望の進行方向を求めるステップであって、前記車両の前記現在の測定された速度は、前記車両のデータから得られる、ステップと、
    を含み、前記関数は、ステアリングシステムの逆モデルを含む、非一時的コンピュータ可読記憶媒体。

Images