JP6947487B2

JP6947487B2 - 自動運転システム

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Publication number: JP6947487B2
Application number: JP2019175088A
Authority: JP
Inventors: 籾山　冨士男; 冨士男籾山; 孝幸安藤; 賢治江尻; 靖男吉永; 鈴木　啓太; 啓太鈴木
Original assignee: Advanced Smart Mobility Co Ltd
Current assignee: Advanced Smart Mobility Co Ltd
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: JP2020098566A

Description

本発明は、車両床下に装備した磁気センサによって、道路に埋設された磁石（磁気マーカなど）の位置を検出することによって自車位置を認識して自動走行するシステムに関する。

自動運転車両が、自車位置を認識して進路をとる方法として、慣性航法による軌道計算による方法、カメラやレーザー等による自車両の周辺認識による方法、ＧＰＳによる方法、更に道路に埋設した磁石の位置検出による方法がある。

慣性航法は、車両重心まわりに生じる回転遍揺速度（ヨーレイト）と前後左右加速度を検出して、運動モデルによって軌跡を計算する移動体の軌道計算の基本技術であるが、路面摩擦によって進路を制御する車両の場合、車体横すべり角が伴う。また、路面の縦勾配・横勾配・不整の影響を受け、鉄道・飛行機・船舶に比べ経路計算のパラメータが多くなり、軌道計算精度に影響する。このため、目標地点に向けての経路計算と移動した軌跡計算に適用され、目標経路上の障害検出については、カメラやレーザーなどのイメージセンサによるのが一般的である。

カメラやレーザー等は、慣性航法の視覚機能を担う。即ち、地図情報に照らして、交通標識・信号、障害物を認識して経路を辿る自動運転の必須技術である。

ＧＰＳは、仮想基準点方式（Virtual Reference Station, VRS）と呼ばれる複数の電子基準点の観測データから、測量現場のごく近傍にあたかも基準点があるかのような状態を作り出す技術によって、高精度に自車位置認識ができるようになってきている。しかしながら、道路を覆うトンネル、陸橋、ネット、樹木の下での電波の受信不能乃至強度低下、ビルの谷間や崖横などでの反射による乱れへの対処が必要になる。

道路に磁石を埋設して、その磁石に位置、方位等の情報を持たせて、軌道を形成して、その軌道を辿る技術が、上述の慣性航法、カメラ・レーザー等、及びＧＰＳと融合しての将来性が考えられる。磁気マーカを用いた自動運転に関する先行技術として以下の特許文献１〜４が提案されている。

特許文献１には、磁気マーカを用いた自動運転システムが開示され、この自動運転システムは、磁気マーカの磁界強度変化量を検出する第１の検出手段と、自車位置を検出する第２の検出手段とを備え、前記第２の検出手段による自車位置検出結果に基づいて、前記第１の検出手段による磁界強度変化量の検出結果に適正な補正を行うことが開示されている。

特許文献２には、車両走行経路に磁気マーカを一列状に敷設し、自動操舵走行時にセンサユニットの中央を磁気マーカの真上に位置させた状態を保持し、前方に障害物が現れた場合には、センサユニットにおける障害物寄りの端部を磁気マーカの真上に位置させた状態に変更した状態としたときに車両がすり抜け可能であるか否かを判定する内容が開示されている。

特許文献３には、車両姿勢検出システムが開示されている。この車両姿勢検出システムは磁気マーカに対する横ずれ量を計測する横ずれ量計測手段と、車両の前後方向に離隔する少なくとも２箇所に位置する複数の横ずれ量計測手段がいずれか一の磁気マーカについて計測した横ずれ量の差分を求める横ずれ量差分手段とを備えることで、走行中の車両の姿勢を検出するようにしている。

特許文献４には、脱輪防止機能を備える磁気式安全運転支援システムが開示されている。このシステムは、車両の両側面に磁気センサを設置し、磁石を所定の間隔で埋設した磁気式白線から発生する磁界を測定し、ノイズである外部磁界を除去して磁石信号磁界のみを取り出し、その値から車両と白線との距離を計算し、車両の白線への接近速度を求めて脱輪の危険予測を行い、その結果を運転手または自動運転制御用ホストコンピュータに通知することによって脱輪を防止する構成である。

特開２０００−２２７９９８号公報特開２００５−２０２４７８号公報特開２０１８−３６１１５号公報特許第６２５４３２６号公報

道路に順々に埋設された磁石（磁石列）を辿り自動走行するためには、（１）車両移動の基本である前後移動と横移動を検出して自車の位置認識、自車の方位認識ができる仕組みを備える必要がある。（２）磁石列から脱線しない仕組みを備える必要がある。即ち、直進走行から自車の最小回転半径での旋回走行まで脱線せずに磁石列を辿ることができる仕組みを備える必要がある。（３）止むを得ず、磁石列の中間で停車しなければならない場面が想定される。そのような場面でも再出発できる仕組みを備える必要がある。（４）更には。磁石列上の障害物等を回避するために軌道から外れ再び軌道に戻ることができる仕組みを備えることが実用に際し期待される。（５）そもそも、磁石列の外から磁石列に乗入れることができる仕組みを備える必要がある。

しかしながら、特許論文１は、車両前部に配置した横一列の磁気センサによって路面に埋設された磁石に対する車両の横変位を検出して、走行レーンに沿って車両位置を制御するステアリング制御手段を備えるとするも、GPSとヨーレイトセンサも備えて、それによって自車の位置と姿勢を認識するものである。

特許文献２は、障害物回避に関して磁気センサ横列巾から外れない範囲で横に寄り回避するもので、センサ横幅列から外れてまでの障害回避には対応していない。

特許文献３は、車両の前側と後側に磁気センサを装備して、前と後の横ずれ量の差分から車両姿勢変化を検出するとするも、小回転半径での脱線には言及していない。

特許文献４は、車線両側の白線を磁気式白線として、それによる磁気を車両両側に備えた磁気センサで検出する脱線防止機能に関するものであり、磁石列軌道を辿りそこからの脱線を防止する機能のものではない。

本発明は、自車位置を認識して、直進走行から最小回転半径に至るすべての曲率半径まで磁石軌道から脱線せずに走行することが可能な自動運転システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明に係る自動運転システムは、車両床下に装備した磁気センサによって、道路に埋設された磁石（磁気マーカ）の位置を検出することによって自車の位置及び姿勢の変化を検出して自動走行するシステムであり、車両の床下に車幅方向に連なる磁気センサ列を前後二列設置し、前側のセンサ列の旋回内側部が描く円の半径が後側のセンサ列の旋回外側部が描く円の半径よりも余裕巾代を設けて小さくなるように、センサ列の位置及び巾を定めた。

最小半径で旋回した時の前列センサの旋回内側端の旋回半径（Rs1）が、後列センサの旋回外側端の旋回半径(Rs2)よりも小さくなる配置とする。即ち、Rs2-Rs1= W>0 の条件を満たす位置にセンサ列を配置する。
ここにＷは道路に埋設された磁石の磁気を検出するために必要な磁気検出巾、いわば磁気軌道巾で、“ばらつき”分も考慮した磁気軌道巾である。その位置は、前輪操舵車の場合、自ずと後車軸近くに二列配置になる。これが脱輪防止の手段となる。そもそも、磁石列に合流しようとする制御そのものが脱線防止効果を持ち、磁気センサ端に検出点が近寄った条件では速度を落とし中心に戻す方向の“あて舵”をすることによって、一層確実になる。

各センサ列は、それぞれ、磁気を検出する時間間隔から、車両に備わる車輪速センサと並列機能して、前後速度を検出し、検出する横位置の変化速度を検出するのであるが、この横位置の変化速度には車両重心点の横速度とヨーレイトの二つの未知数が含まれている。センサ列を二つにすると、横速度とヨーレイトを変数とする連立方程式が導出され、その連立方程式を解くことによって、横速度とヨーレイトを知ることができる。即ち、その回転角速度と横加速度によって慣性航法走行ができる。或いは、ジャイロによるヨーレイトと、加速度計による横速度と照合しての慣性航法が出来る。慣性航法できることと、各磁石に緯度経度方位と対応付けてＩＤを付すことによって、自車位置認識、自車の方位認識をする手段となる。

止むを得ず、磁石列の中間で停車しなければならない場面に遭遇しても、その直前のデータを記憶しておくことで正しい方向に向けて再発進し運行継続することができる。磁石列上の障害物等を回避するために軌道から外れ再び軌道に戻ることも、自車の幾何軌跡を描くこと、或いは、ジャイロによるヨーレイトと、加速度計による横速度と照合しての慣性航法で可能である。

磁石列（磁気マーカ）の外から磁石列（磁気マーカ）に乗入れることについては、運行ルートの始発駅、中継駅、終着駅それぞれに慣性航法などでの方法での対処が可能である。

本発明による磁気マーカを用いる自動運転システムによれば、車両の床下に車幅方向に連なる磁気センサ列を前後二列、車両が最小回転半径で旋回しても磁気検出軌道巾から逸脱しない要件成立位置に配置して、各列における磁石位置と位置変化を検出することによって、車両の最小回転半径での磁石列目標軌跡を辿ることができる。

また本発明に係る自動運転システムによれば、自車の緯度経度方位の認識、車両ヨーレイト・横すべり角の算出ができて慣性航法することができ、路面に埋設された磁石列を確実に辿ることができる。この慣性航法機能を備えているので、磁気マーカと磁気マーカとの中間に停止しても再出発することができる。曲率半径が小さい軌道においても前後二列の前センサの旋回内側部の回転半径が後センサの旋回外側部半径よりも小さくなるように配置することによって磁気を検出する軌道巾が確保されて、脱線せずに磁石マーカを辿ることができる。慣性航法によって磁気マーカ軌道に合流しようとする制御そのものが脱線防止を確実にする。

車両走行軌跡の計算要素であるヨー角（遍揺角）と横すべり角の説明図である。前後二列の磁気センサ列によってヨー角・横すべり角を検出する説明図である。磁石列から自己位置を検出して磁石列軌道に合流する場面の説明図である。制御フローチャートの説明図である。最小回転半径で磁石列軌道から脱線しない磁気センサ配置の説明図である。磁石位置から幾何学的に操舵角を決めて磁石列軌道を辿る説明図である。二列の磁気センサ列が何れかの一列でも磁石列軌道を辿る冗長設計の説明図である。磁気マーカ軌道を外れ再び磁気マーカ軌道列に戻る仕組みの説明図である。時期センサ軌道巾の最大化とその制御法の説明図である。

本発明は、車両床下に設けた磁気センサによって、道路に埋設した磁石列（磁気マーカ）の磁気を検出して、その磁石列軌道を辿る制御に関するものである。決められた軌道を辿る制御は自車の位置を把握して、そこから軌道に合流する軌跡を描き、その軌跡を描くように操舵を加える必要がある。軌跡を描く計算ができる必要がある。車両運動は、タイヤ横力と慣性力とのつり合い関係で決まる。タイヤ横力はタイヤが横すべりすることによって発せられるので、車両運動には車体横すべり角を伴う。軌跡計算には、進路を変える力を生じるための横すべり運動とそれによって生じる旋回運動を知る必要がある。

図１に車両走行軌跡の計算要素であるヨー角（遍揺角）と横すべり角を示す。XY固定座標系（地球座標）の上で、移動座標（車体系座標）が移動する。車体系座標は原点を車両重心点において、ヨー角（Φ）と横すべり角（β）の余弦（cos）の積分をX変位とし、正弦（sin）の積分をY変位として、図中のXpos,Yposを求め走行軌跡を算出する。

図２に前後二列の磁気センサ列によってヨー角・横すべり角を検出する方法を示す。磁気センサ列S1、S2では、横速度（v_y）とヨーレイト(γ)による横速度が重畳した値が検出される。その値は、下記の式（１）、（２）になる。

式（１）と式（２）から横すべり角βは下記の式（３）、ヨーレイトは式（４）になる。

式（４）のヨーレイトを積分すると下記の式（７）のヨー角（遍揺角）Φになる。

式（３）により横すべり角βが分かり、式（７）によりヨー角が分かると、下記の式（８）（９）により自車の経路計算ができる。

図３に磁石列（磁気マーカ）から自己位置を検出して磁石列軌道に合流する場面の説明図を示す。尚、磁石列を検出できない場合でも、直前の自車位置データを記憶しておけば慣性航法で磁石列軌道に合流することができる。

現在位置（Xpos,Ypos）は、始発駅での位置確認、中継駅での誤差調整がされる前提（後述図４の項参照）で、図２の方法の式（８）、式（９）によって把握できている。同時に、車体横すべり角は、図２の方法の式（３）により、車体遍揺角（ヨー角）は、図２の方法の式（７）により把握できている。そもそも、段落（０００３）で述べた様に、基本技術として備える車両運動モデルによる軌道計算によって現在位置の把握は出来ている。加えて、図３の地面に埋設された磁石列を白丸で示し、それを補完する曲線を点線で示している。座標X1,Y1に位置する磁気マーカがセンサS1で捉えられ、その横偏差ｅ_２１が検出される。また座標X2,Y2に位置する磁気マーカがセンサS2で捉えられ、その横偏差ｅ_２２が検出される。
このｅ_２１ｅ_２２から車両重心点（Gc）の座標Ｘ_GC,Ｙ_GCは、下記の式（１０）式（１１）になる。

重心点の方位角ψ_ＧＣは、下記の式（１２）或いは式（１３）になる。

式（１３）において△Y_GC、△X_GCは、順次検出する磁気マーカの検出値の差分であり、dsは時間刻みではなく距離刻みである。

自車位置の座標Ｘ_ＧＣ、Ｙ_ＧＣと方位角ψ_ＧＣが分かると、合流目標位置（Ｐ1）の磁気マーカの座標と方位角は予め与えられているので、自車位置から合流目標位置へ至る曲線の曲率ρが、例えば、下記のクロソイド曲線式（14）或いは三角関数曲線式（15）で与えられる。

曲率が与えられると、それに対応する操舵角δは下記の式（16）により決まる。

ここに、Ｋ_ＳＦは、スタビリティファクタと称するもので、操舵角を或る角度で押さえて車速を徐々に上昇させていったときの旋回半径の変化の大きさを表す指標である。

式（１６）により算出される舵角に前輪舵角を制御することにより車両は目標軌跡を辿ることができる。下記の式（17）により求められる目標軌跡に対する重心点の横遍差ｅ_２ＧＣと、合流目標点の方位角と自車方位角の差を用いて、Path Followingと称される制御法で目標軌跡を辿っても良い。

図４に制御フローチャートを示す。目標軌跡を作成して、その目標軌跡に対する自車位置から合流するタスクの工程を示す。
工程（１）では、路面に埋設された磁石列の各磁石の緯度・経度・方位を取得して、クロソイド曲線、最小二乗法などの方法で補間して目標軌跡を予め整備する。目標軌跡には、運行経路のターミナルや中間停車場などに起点を合わせて、ＩＤを付して緯度経度方位、曲率、勾配、制御速度の情報を持たせる。

工程２では、目標軌跡と自車座標との座標軸を合わせる。即ち、始発駅、中継駅などの要所を定めてキャリブレーションを行うことを試行運転段階で実施して置くことで、求められる制度で目標軌跡を辿ることができることの試行検証を十分に実施して実稼働の際の安全性・定時制など交通機関として求められる信用・信頼を確かに備える。尚、車庫から始発駅への車両移動は人の運転で行われ、座標軸合わせも、毎回の運行の際に人の手によって行われる。

工程３では、運行開始して、磁気マーカを検出して自車の位置座標・方位を算出する。目標軌跡は磁気マーカ位置のみでなく磁気マーカ間も補間曲線によって位置・経度・方位・方位・曲率・勾配・制御速度の情報が整備されていてそれを制御情報として所持しているので、前述の各式を用いて磁気マーカのみによる走行ができ、ジャイロ、加速度計を備えて起点座標方位を補間曲線のそれと照合して所謂慣性航法も可能にして並列冗長システムとして備えても良い。

工程４では、磁気センサS1、S2にて検出した横偏差ｅ_２１・ｅ_２２から、重心位置の座標Ｘ_ＧＣ，Ｙ_ＧＣ及び、重心点の方位ψ_ＧＣを算出する。

工程５では、試行運行段階で決めた合流点座標と方位を認識する。決めてない場合は４ｍ先になる。

工程６では、自車の座標と方位、目標点の座標と方位から、クロソイド補間等実施して得られた補間曲線からその曲率を把握して、そこでの目標速度に見合った操舵角を算出する。

工程７にて、目標点で合流して、そこでの合流誤差偏差を把握して、工程（４）へ戻り工程（４）から工程（７）を繰り返しつつタスクを終了する。

図５に最小回転半径で磁石列軌道から脱線しない磁気センサ配置を示す。磁気センサs1,s2の巾Bsの範囲から外れてしまっては、路面に埋設された磁石を検出することはできない。直進走行であれば、この巾Bsは軌道巾として有効に機能するけれども、旋回走行では、前側のセンサS1の旋回内側が描く円の半径R1を後側のセンサS2の旋回外側が描く円の半径R2から差し引いた値Wが磁気センサの軌道巾になる。この軌道巾Wは回転半径が小さくなるほど狭くなる。車両が自車の最小旋回半径で旋回する際の軌道が変動しても軌道Wから脱線しないようにセンサS1とS2の巾Bs、とセンサ位置Ｌ_Ｓ１，Ｌ_Ｓ２を定める（図ではＬは小文字で示している）。即ち、図５の式（59）を満たすBs,Ｌ_Ｓ１，Ｌ_Ｓ２が磁気マーカ方式の成立要件になる。

図６に磁石位置から幾何学的に操舵角を決めて磁石列軌道を辿る方法を示す。
三角形△O-S1-S10から下記の式(61)が成立する。

式（66）は、極低速時前輪実舵角である。車速が上昇すると車両操舵特性に依存して下記の式（67）の様に変化する。

ここに、Ｋ_ＳＦは車速上昇に伴い変化する操舵特性を表現する指標のスタビリティファクタである。

図７に二列の磁気センサ列に、二列のいずれか一方が故障しても残る一列でも、磁石列軌道を辿る冗長故障安全設計について説明する。
車速（ｖ）と実舵角から下記の式（71）により経路曲率（ρ）が分かり、式（72）により、ヨーレイト（γ）、式（７３）によりヨー角（ψ）更に、式（7４）により横すべり角（β）が分かるので、の式(75)（７６）により、自車の現在位置（Xpos,Ypos）が分かる。

この様にして、得られた自車位置（Xpos,Ypos）及び姿勢角（ψ+β）を、S1或いはS2何れかのセンサに付属する経路情報としての座標、曲率、進路角と照合して、経路に対する横偏差（ｅ₂₁或いはｅ₂₂）及び経路の方位角に対する姿勢角（ψ+β）との角度偏差を使用して、前出の式（１６）により実舵角（δ）を制御して経路を辿ることが出来る。

以上、二列の磁気センサ列が一列故障して、残る一列でも磁石列軌道を辿る故障安全設計を想定した方法を説明したが、この方法を各列それぞれ用い互いに照合して機能する並列冗長設計としても良い。

図８は磁石列上の障害物等を回避するために軌道から外れ、再び軌道に戻ることが出来る仕組みの説明図である。

磁気マーカ軌道上に障害物があっては軌道を辿る運行は本来できない。ここでは磁気マーカに頼らずに前輪舵角とホイールベースによって描く幾何軌跡を描いて、障害物を回避するため一旦、軌道を外れ再び軌道に戻る。それは、後車軸の点Ｐ_ＲＡの回転半径ｙ_Oをコンパスにして極低速走行する。このｙ₀は式（81）により前輪実舵角（δ）によって決まり、経路移動距離は後軸タイヤ回転で決まる距離
であるので、車両の方位角は式（82）になる。経度・緯度の変化は式(83)、式(84)になり、式(82)式(83)式(84)を積分することによって軌跡形成され、一旦、軌道を外れ再び軌道に戻ることができる。目標経路からの寄せ巾と目標経路への戻り巾の可変曲線を備えて試行確認して実運行に供する。

ジャイロ、加速度計を備えると磁石列による目標軌跡上の障害物等を回避して一旦目標軌跡を離れて、障害物等を回避して再び目標軌跡に戻る走行も可能になる。図９は磁気センサ軌道巾の最大化とその制御法の説明図である。図の左側に図５の場合と比較して図９の場合を説明する。図５の場合は磁気センサS1,S2共に後車軸の前側に装備しているのに対して、図９の場合は後車軸の前側にセンサS1、後側にセンサS2を置いている。こうすることによって、センサ軌道巾がR ₂ −R ₁ の関係になることなく、センサ巾Bsの全巾をセンサ軌道巾として使用することが可能になる。その一方で、マーカS1とマーカS2の横偏差が等しい条件に遭遇すると、直線軌道であるか、曲線軌道であるかの判別できなくなる不都合を伴う。そのため、前軸近くに位置する磁気マーカの方位角情報を得て実舵角を決める制御を行う。

Claims

車両床下に装備した磁気センサによって、道路に埋設された磁石（磁気マーカなど）の位置を検出することによって自車位置を認識して自動走行する自動運転システムにおいて、車両の床下に車幅方向に連なる磁気センサ列を前後二列設置し、前側のセンサ列の旋回内側部が描く円の半径が後側のセンサ列の旋回外側部が描く円の半径よりも余裕巾代を設けて小さくなるように、センサ列の位置及び巾を定め、上記２つの磁気センサ列によって横速度とヨーレイトを変数とする連立方程式を導出し、この連立方定式を解くことで横速度とヨーレイトを算出することを特徴とする自動運転システム。
請求項１に記載の自動運転システムにおいて、前記連立方程式は以下の式（１）、（２）であることを特徴とする自動運転システム。

V_ｙｓ1：センサ１で検出される横速度
V_ｙｓ２：センサ２で検出される横速度
V_ｙｓ１０：センサ１での経路速度
V_ｙｓ２０：センサ２での経路速度
V：車両重心の絶対速度
V_ｙ：車両重心の横速度
ｌ_ｓ1：重心からセンサ１までの距離
ｌ_ｓ２：重心からセンサ２までの距離
γ：ヨーレイト
β：車体横すべり角
請求項１に記載の自動運転システムにおいて、前記前側センサ列と後側センサ列によって検出される磁気マーカ位置から重心位置の座標と方位角を算出して目標軌跡を辿ることを特徴とする自動運転システム。
請求項１に記載の自動運転システムにおいて、前記前側センサ列と後側センサ列によって検出される磁気マーカ位置から幾何学的に前輪実舵角を算出して目標軌跡を辿ることを特徴とする自動運転システム。
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の自動運転システムにおいて、前記磁石軌道上の障害物等をかわすために、一旦磁石軌道列から外れ障害物等をかわした後に、再び磁石軌道上に戻る経路をとることを特徴とする自動運転システム方法。
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の自動運転システムにおいて、前記二列の磁気センサ列のいずれか一方が失陥して一列のみの機能状態でも磁石軌道を辿ることを特徴とする自動運転システム方法。
請求項１に記載の自動運転システムにおいて、前後二列配置される磁気センサが、後車軸の前側と後側に配置される場合においては、その前車軸近くに位置する磁気マーカの方位角情報を得て実舵角を決める自動運転システム方法。