JP6954553B2 - 自律走行車両、コントローラ、コンピュータプログラム、自律走行車両の制御方法 - Google Patents
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Description
実施形態に係る自律走行車両は、コントローラと、前記自律走行車両の回頭角を計測するセンサと、を備える。前記コントローラは、前記自律走行車両の回頭角と仮想的な参照車両の回頭角との差である回頭角偏差に対する非線形化処理を実行する。前記コントローラは、非線形化処理された前記回頭角偏差に基づいて、前記参照車両に追従するように、前記自律走行車両の走行を制御する制御処理と、を実行する。前記非線形化処理は、前記回頭角偏差の絶対値が所定値よりも小さい場合には、前記回頭角偏差の絶対値を小さくする処理である。回頭角偏差の絶対値が所定値よりも小さい場合には、前記回頭角偏差の絶対値を小さくすることで、回頭角の計測誤差が生じたとしても、自律走行の精度低下を抑制することができる。
前記制御処理は、逆最適制御によって走行を制御する処理であるのが好ましい。逆最適制御は、不整地を車両が走行する場合に生じる外乱に対してロバスト性を有する。
前記コントローラは、非線形化処理された前記回頭角偏差の変換処理を更に実行するよう構成され、前記変換処理は、非線形化処理された前記回頭角偏差と、前記自律走行車両の位置と前記参照車両の位置との左右方向における差である横偏差の関数の値と、を加算して、変換された回頭角偏差を求め、前記制御処理は、変換された前記回頭角偏差に基づいて実行されるのが好ましい。この場合、変換された回頭角偏差は、横偏差及び回頭角偏差の関数となる。
前記関数は、h(z)=Az/(1+Bz2)であるのが好ましい。ここで、h(z)は、zh(z)>0,∀z≠0,かつh(0)=0を満たす関数であり、A,Bは、正の値をとる設定パラメータであり、z=e2vであり、e2は、横偏差であり、vは、前記自律走行車両の速度である。この場合、コントローラの調整が容易となる。
実施形態に係るコントローラは、前記自律走行車両の回頭角と仮想的な参照車両の回頭角との差である回頭角偏差に対する非線形化処理と、非線形化処理された前記回頭角偏差に基づいて、前記参照車両に追従するように、前記自律走行車両の走行を制御する制御処理と、を実行するよう構成されている。前記非線形化処理は、前記回頭角偏差の絶対値が所定値よりも小さい場合には、前記回頭角偏差の絶対値を小さくする処理である。
実施形態に係るコンピュータプログラムは、コンピュータに、自律走行車両の回頭角と仮想的な参照車両の回頭角との差である回頭角偏差に対する非線形化処理と、非線形化処理された前記回頭角偏差に基づいて、前記参照車両に追従するように、前記自律走行車両の走行を制御する制御処理と、を実行させる。
実施形態に係る自律走行車両の制御方法は、前記自律走行車両の回頭角と仮想的な参照車両の回頭角との差である回頭角偏差に対する非線形化処理をすること、非線形化処理された前記回頭角偏差に基づいて、前記参照車両に追従するように、前記自律走行車両の走行を制御することを含む。前記非線形化処理は、前記回頭角偏差の絶対値が所定値よりも小さい場合には、前記回頭角偏差の絶対値を小さくする処理である。
コントローラ10は、経路追従(Path Following)制御によって車両100を自律走行させる。図2に示すように、経路追従制御では、仮想的な参照車両200が用いられる。経路追従制御においては、実車両である車両100は、参照車両200に参照入力を与えたときに参照車両200が描く参照軌道に追従する。図2に示すように、経路追従制御では、車両100は、参照車両200の真横に位置して、参照車両200に追従する。参照軌道は、車両100が自律走行する場合の望ましい軌道である。
車両100が、舗装された道路ではなく、農地のような不整地を走行する場合、地面の凹凸やすべりによる外乱を受ける。車両100がトラクタである場合、トラクタが牽引する作業機による振動や抵抗による外乱も受ける。車両100の経年劣化などによって、モデルの変化及び不確かさによるモデル化誤差も大きくなる。本実施形態では、外乱及びモデル化誤差に対応したロバストな制御則として、逆最適制御法を採用する。コントローラ10は、逆最適制御によって、車両100の走行を制御する。
1.まずフィードバック則を設計する。
2.その後、式(13)のような評価関数に対して最適であることが示される。
本実施形態のコントローラ10は、経路追従制御を逆最適制御によって行う。以下では、経路追従制御のための逆最適コントローラ10を説明する。
式(19)の制御入力は、車両100の速度vと旋回角速度ωであるが、実際の車両100は、操舵輪である前輪の舵角φが変化することにより旋回する。舵角φと、速度v及び旋回確度ωとの関係は、以下のとおりである。ここで、Lは、車両100の前後輪の距離である。
回頭角偏差e3は、計測される方位角(回頭角)θの計測誤差の影響を受けて、実際の回頭角偏差よりも大きくなることがある。実際よりも大きい回頭角偏差e3に基づいて制御すると、横偏差e2を収束させ難くなる。この場合、制御入力を求める場合の回頭角偏差e3に対するゲインを小さくすれば、その分、方位角θの計測誤差の影響も小さくできる。しかし、単に、回頭角偏差e3に対するゲインを小さくすると、回頭角偏差e3が本当に大きい場合に、横偏差e2を収束させるのがやはり困難になる。
図4は、経路追従制御を逆最適制御によって行うコントローラ10による処理手順を示している。ステップS1において、コントローラ10は、横偏差e2と回頭角偏差e3を算出する。横偏差e2は、センサ22によって計測された位置(x,y)と、参照車両200の位置(xr,yr)と、参照車両200の回頭角θrと、から算出される(式(3)参照)。回頭角偏差e3は、センサ21によって計測された回頭角θと、参照車両200の回頭角θrと、から、回頭角偏差e3も算出する(式(3)参照)。
図5A,5B,6A,6Bは、回頭角θの計測誤差がある場合において、回頭角偏差e3に対する非線形化処理の有無による車両100の状態の違いをシミュレーションした結果を示す。図5Aは、非線形化処理を行った場合の横偏差e2及び回頭角偏差e3を示し、図5Bは、非線形化処理を行わない場合の横偏差e2及び回頭角偏差e3を示す。図6Aは、非線形化処理を行った場合の舵角φを示し、図6Bは、非線形化処理を行わない場合の舵角φを示す。
図7A,7B、8A,8B,9A,9Bは、式(21)のパラメータA,Bを調整した場合の横偏差e2,回頭角偏差e3,舵角φを示す。図7A,7Bは、A=1,B=1に設定した場合であり、この場合、横偏差e2は、0.04m程度である。図8A,8Bは、A=1,B=30に設定した場合であり、この場合、横偏差e2は、0.025m程度である。図9A,9Bは、A=1,B=15に設定した場合であり、この場合、横偏差e2は、0.023m程度である。このように、パラメータA、B、特に、パラメータBを適切に調整することにより、横偏差e2を容易に小さくすることができる。
11 プロセッサ
12 メモリ
21 センサ
22 センサ
30 アクチュエータ
100 車両
200 参照車両
Claims (7)
- 自律走行車両であって、
コントローラと、
前記自律走行車両の回頭角を計測するセンサと、
を備え、
前記コントローラは、
前記自律走行車両と仮想的な参照車両との左右方向の位置の差である横偏差と、前記自律走行車両の回頭角と前記参照車両の回頭角との差である第1回頭角偏差と、を算出する処理と、
前記第1回頭角偏差に対する非線形化を行って第2回頭角偏差を求める非線形化処理と、
前記第2回頭角偏差を変換して第3回頭角偏差を求める変換処理と、
前記横偏差及び前記第3回頭角偏差に基づいて、前記参照車両に追従するように、前記自律走行車両の走行を制御する制御処理と、
を実行するよう構成され、
前記非線形化処理は、前記第1回頭角偏差の絶対値が所定値よりも小さい場合には、前記第2回頭角偏差の絶対値を前記第1回頭角偏差の絶対値よりも小さくする処理であり、
前記変換処理は、前記第2回頭角偏差と、前記横偏差及び前記自律走行車両の速度の関数の値と、を加算して前記第3回頭角偏差を求める処理である
自律走行車両。 - 前記非線形化処理は、前記第1回頭角偏差の絶対値が所定値よりも小さい範囲においては、前記第2回頭角偏差の絶対値を前記第1回頭角偏差の絶対値よりも小さくするための非線形関数を用いて、前記第2回頭角偏差を求める処理であり、
前記非線形関数は、前記範囲内における前記第2回頭角偏差が前記範囲外における前記第2回頭角偏差に対してなめらかに連続するよう設定されている
請求項1記載の自律走行車両。 - 前記非線形関数は、前記範囲外における前記第2回頭角偏差を、前記第1回頭角偏差と同じ値にするよう構成されている
請求項2記載の自律走行車両。 - 自律走行車両であって、
コントローラと、
前記自律走行車両の回頭角を計測するセンサと、
を備え、
前記コントローラは、
前記自律走行車両の回頭角と仮想的な参照車両の回頭角との差である回頭角偏差に対する非線形化処理と、
非線形化処理された前記回頭角偏差に基づいて、前記参照車両に追従するように、前記自律走行車両の走行を制御する制御処理と、
を実行するよう構成され、
前記非線形化処理は、前記回頭角偏差の絶対値が所定値よりも小さい場合には、前記回頭角偏差の絶対値を小さくする処理であり、
前記コントローラは、非線形化処理された前記回頭角偏差の変換処理を更に実行するよう構成され、
前記変換処理は、非線形化処理された前記回頭角偏差と、前記自律走行車両の位置と前記参照車両の位置との左右方向における差である横偏差の関数の値と、を加算して、変換された回頭角偏差を求め、
前記制御処理は、変換された前記回頭角偏差に基づいて実行され、
前記関数は、h(z)=Az/(1+Bz2)であり、
h(z)は、zh(z)>0,∀z≠0,かつh(0)=0を満たす関数であり、
A,Bは、正の値をとる設定パラメータであり、
z=e2vであり、
e2は、横偏差であり、
vは、前記自律走行車両の速度である
自律走行車両。 - コントローラであって、
前記コントローラは、
自律走行車両と仮想的な参照車両との左右方向の位置の差である横偏差と、前記自律走行車両の回頭角と前記参照車両の回頭角との差である第1回頭角偏差と、を算出する処理と、
前記第1回頭角偏差に対する非線形化を行って第2回頭角偏差を求める非線形化処理と、
前記第2回頭角偏差を変換して第3回頭角偏差を求める変換処理と、
前記横偏差及び前記第3回頭角偏差に基づいて、前記参照車両に追従するように、前記自律走行車両の走行を制御する制御処理と、
を実行するよう構成され、
前記非線形化処理は、前記第1回頭角偏差の絶対値が所定値よりも小さい場合には、前記第2回頭角偏差の絶対値を前記第1回頭角偏差の絶対値よりも小さくする処理であり、
前記変換処理は、前記第2回頭角偏差と、前記横偏差及び前記自律走行車両の速度の関数の値と、を加算して前記第3回頭角偏差を求める処理である
コントローラ。 - コンピュータに、
自律走行車両と仮想的な参照車両との左右方向の位置の差である横偏差と、前記自律走行車両の回頭角と前記参照車両の回頭角との差である第1回頭角偏差と、を算出する処理と、
前記第1回頭角偏差に対する非線形化を行って第2回頭角偏差を求める非線形化処理と、
前記第2回頭角偏差を変換して第3回頭角偏差を求める変換処理と、
前記横偏差及び前記第3回頭角偏差に基づいて、前記参照車両に追従するように、前記自律走行車両の走行を制御する制御処理と、
を実行させるコンピュータプログラムであって、
前記非線形化処理は、前記第1回頭角偏差の絶対値が所定値よりも小さい場合には、前記第2回頭角偏差の絶対値を前記第1回頭角偏差の絶対値よりも小さくする処理であり、
前記変換処理は、前記第2回頭角偏差と、前記横偏差及び前記自律走行車両の速度の関数の値と、を加算して前記第3回頭角偏差を求める処理である
コンピュータプログラム。 - 自律走行車両の制御方法であって、
前記制御方法は、
前記自律走行車両と仮想的な参照車両との左右方向の位置の差である横偏差と、前記自律走行車両の回頭角と前記参照車両の回頭角との差である第1回頭角偏差と、を算出し、
前記第1回頭角偏差に対する非線形化を行って第2回頭角偏差を求める非線形化処理をし、
前記第2回頭角偏差を変換して第3回頭角偏差を求める変換処理をし、
前記横偏差及び前記第3回頭角偏差に基づいて、前記参照車両に追従するように、前記自律走行車両の走行を制御する
を含み、
前記非線形化処理は、前記第1回頭角偏差の絶対値が所定値よりも小さい場合には、前記第2回頭角偏差の絶対値を前記第1回頭角偏差の絶対値よりも小さくする処理であり、
前記変換処理は、前記第2回頭角偏差と、前記横偏差及び前記自律走行車両の速度の関数の値と、を加算して前記第3回頭角偏差を求める処理である
制御方法。
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