JP6991119B2 - 自動運転における進路制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を用いた測距装置LiDAR（Light Detection and Ranging）を用いた自動運転における進路制御方法に関する。

自動運転によってバス（車両）をバス停に停車する際に、縁石と平行で且つ縁石との隙間をできるだけ小さくする方法が特許文献１に提案されている。
この特許文献１では、車線を維持しつつバス停に近づきバスを止めるにあたり、後軸路側輪が描く軌跡を車両各部の動きを代表する根源の軌跡としている。

特許文献２には、光測距装置を用いた自動運転方法（隊列走行）が提案されている。この特許文献２では、前車両の位置を光測距装置によって捉え、前車両の特定部への方向と距離を検出して、その特定部へ至る軌跡を辿る前輪実舵角を算出するようにしている。

特許文献３には、LiDARを用い、レーザ光によるスキャンを水平方向及び垂直方向に行って自車両の周辺に存在する物体の位置と形状とを測定するにあたり、道路境界の複雑な形状の影響や、ノイズの影響によって、車線境界線の外にある路側物であるにも関わらず、物標枠が車線境界線を跨ぐように物標化が行われてしまう場合がある。これを防止するために、車線境界線認識手段、車線内領域抽出手段及び判定手段を備えることが提案されている。

現在、ＧＰＳによる速度・位置認識機能を利用する自動運転の研究が進んできている。ＧＰＳ衛星からの位置情報と無線通信を利用しての補正情報を受けて数ｃｍの精度が得られるＶＲＳ－ＧＰＳを利用する自動運転の実証実験が進行している。ここに、VRSはVirtual Reference Stationのことで、日本語で仮想基準点といわれる。

ＧＰＳにはマルチパスと呼ばれるエラーがある。マルチパスは様々な障害物（建物、樹木、電線、地表など）で発生する。マルチパスが発生すると、測位精度に誤差が生じて自動運転経路が乱れて経路維持走行が出来なくなる。

一方で、前記したLiDARも性能が向上し、１２０ｍの距離から２ｃｍ未満の精度で距離測定が行える自動運転向けの商品化計画が報告されている。ＧＰＳによる速度・位置認識を利用してＧＰＳが使えない場所ではLiDARによって縁石等との距離を計測して自動走行する技術が考えられる。

特許第５９８１０１０号公報 特許第６１０９９９８号公報 特開２０１８－９２４８３号公報

課題は自動運転車両において、ＧＰＳが使えない状況下でもライダーによって道路縁石・バス停縁石などを検出して走行ないしバス停に着するなど課せられた任務の遂行を可能にすることである。トンネルを含む一般道において、縁石を検出して縁石に沿って走行するには自車と縁石との並行と距離を検出して縁石に沿う操舵制御ができる必要がある。バス停正着のためには、バス停（Bus bay）形状に応じて縁石乗り上げなく最小隙間で接舷（Docking）することが求められる。

しかしながら、特許文献１はバス停正着のための目標軌跡の幾何と操舵制御について述べるもので、縁石と車体との隙間を確認する方法及び手段には言及していない。

特許文献２は先行車追随に関する車両位置認識にかかわるもので、縁石を検出しての自動走行には言及していない。

特許文献３はLiDARによって検出した自車両周辺の物標を自車線領域内のみに絞り込むことに関するもので、縁石を検出しての走行や正着に関するものではない。

マップ（デジタルマップを含む）に基づき運行経路に沿って設けられた縁石、ガードレール、白線、柵などの目標物と車体との間隔を予め設定し、設定した間隔を維持した走行を可能とする目標経路を曲線式または数表によって作成し、走行中はLiDARで自車位置を確認し、自車位置と前記目標経路とのずれを算出し、このずれを修正するように操舵する。
前記ずれの検出は、LiDARによって縁石と車体との間隔と角度を監視することで行う。

実際の地形に合わせることができる目標経路式等を持ち、目標経路に沿う舵角を決める車両モデルを持ち、目標経路の通り縁石隙間を決めて縁石に沿う車両姿勢がとれているかをLiDARで確認して修正操舵をするので目標経路を正確に走り、バス停の正しい位置に接舷停止することが可能になる。

特に、ＧＰＳを利用した自動運転において、ＧＰＳの測位精度が低下する森林、貫道、崖横、ネット下、高層ビル街での運行、またＧＰＳが使えないトンネル内、地下空間、屋内での運行におけるバス停や荷役縁台などへの接舷精度の向上が図れる。

縁石に横づけする際の後車軸軌跡と車両前端軌跡の関係図 縁石に横づけする目標軌跡の取り方の説明図 LiDARによる縁石隙間と車両姿勢の検出説明図 LiDARによる縁石隙間と車両姿勢の検出説明図 後軸軌跡から算出される実舵角の説明図 制御フローチャートの説明図

以下、本発明の実施の形態を図１～６に基づいて説明する。
図１は、縁石に横づけする際の後車軸軌跡と車両前端軌跡の関係図である。（A）から入り（B）に抜ける後軸経路を示す。

縁石に横づけする際などの極低速域では、タイヤの滑りがないので、後軸のＲ1点とこれに対応する車両前端Ｆ1点はともに後車軸延長線上のＯ_１点を中心として旋回する。同様にＲ2点とこれに対応する車両前端Ｆ2点はともに後車軸延長線上のＯ_２点を中心として旋回する。このため、Ｆ2点の旋回軌跡上に縁石があるとＦ2点は縁石に乗り上げてしまう。最終的にはＲ3点、Ｆ3点に至り車体を縁石に平行に止めるのであるが、Ｆ2点での縁石乗り上げを無くしてＲ3、Ｆ3に至る軌跡の取り方に工夫が必要になる。

図２に、縁石に乗り上げずに縁石に横づけする目標軌跡の取り方を示す。（１）はじめに深く切り込んで車両前部路側端を縁石に寄せる。（２）ハンドルを徐々に戻しながら縁石隙間が前後平行になる位置まで前進する。この際の後軸軌跡は、式（１）、（２）の指数関数で近似できる。

車両前部路側端はＦ1,Ｆ2,Ｆ3と縁石すれすれに移動する。移動開始する前段階での自車の位置出しから停止位置に至る経路について目標軌跡を用意し、目標軌跡を辿っていることの確認をとる手段が必要である。目標軌跡を辿っていることの確認をとる手段として本発明ではLiDARを用いた。

図３及び図４にLiDARによる縁石隙間と車両姿勢の検出説明図を示す。ここで、図３は縁石が直線の場合、図４は縁石が曲線（折線を含む）の場合である。車両前部中央にLiDARを装備して、Ａ,Ｂ,Ｃを検出して縁石との距離Ｄ,縁石に対する自車の姿勢角Φnを把握することによって、目標軌跡を辿れていることを確認する。ここで、Ａは車両前部左端点（Ｐ_ＦＥ）から車両前方に延長した線と縁石との交点、Ｂは車両前部左端点（Ｐ_ＦＥ）から車幅方向に延長した線と縁石との交点、ＣはＡとＢとの距離である。

図５に後軸軌跡から算出される実舵角の説明図を示す。現場の地形に目標軌跡をはめ込んでその軌跡を辿るとき、どの様に操舵すればよいかを説明する。
目標軌跡が前記式（１）（２）により与えられ、この式の曲率は式（３）により与えられる。

ここに、ｆ(x)は式（１）である。
この曲率を描くための前輪実舵角は式（４）になる。

ここに、δは前輪実舵角、Ｋ_SFはスタビリティファクタで車両が曲線走行する際の車速の二乗に対する旋回半径の変化特性を表現する特性値である。ｖは車速、ρは曲率、Ｌ（式では小文字）はホイールベースである。

図５の上段において、実線が後軸の軌跡で、点線がそれに対応する車両前端中央部の軌跡である。下段は、実舵角である。実舵角の変化に（１）（２）（３）の過程が観察される。
（１）最初に大きく切り込んで車体前端を縁石いっぱいに寄せる。（２）切り戻して車体前端を横移動させつつ前進する。（３）車体前端で縁石をなぞる様に徐々に切り戻して縁石と車体を平行にして停車する。この過程は、人が練習して上達した操舵と一致する。

この（１）（２）（３）の過程を短い距離で収めようとすると式（１）のλを大きくすることによって成される。その場合の車両前端の軌跡は図中の（４）に示すように盛り上がり、図１の縁石乗り上げになる。
この乗り上げ形状に合わせて縁石を切り取って縁石を建設するなら、現場空間に適応してのバス停にもなる。

図６に制御フローチャートを示す。バス停に横づけするためなどの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目標軌跡に合流するタスクの工程を示す。

工程（１）では、経路要所の軌道の緯度・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。バス停であればバス停に横づけするための走行軌跡を曲線式・数表などを用意する。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、目標軌跡と現場との位置合わせをする。始発地、中継地における地球座標系と車両座標系の相対軸を合わせる（車両の位置方位を要所の目印（バス停、停止線・縁石等）と合わせる。

工程３では、バス停等の現場において、LiDARによって、図３図４のＡ，Ｂ、Ｃ、ＤとΦnを把握する。

工程４では、自車の位置座標と方位を認識する。バス停等の要所軌道式・数表に照らし自車位置を確認する。

工程５では、目標軌跡上の目標点座標と方位を認識する。目標点を何メートル先に設定するかを試運行段階で定めておく。通常は４ｍ先（前方注視モデルの場合の常識的数字）とする。

工程６では、制御舵角を決める。自車の座標と方位と目標点の座標と方位からクロソイド補間等を実施して補間曲線の曲率と車速からの舵角算出式によって実舵角を決める。

工程７にて、目標点に至る。バス停であればそこに停車。一般道であれば、そこでの自車位置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。

Claims (3)

1. マップに基づき運行経路に沿って設けられた縁石、ガードレール、白線または柵と車体との間隔を設定し、設定した間隔を維持した走行を可能とする目標経路を曲線式または数表によって作成し、走行中はレーザ光を用いた計測装置で、自車より前方の縁石、ガードレール、白線または柵に対して、自車の車両前部路側端から車両前方に延長した線との交点までの距離（A）と、縁石、ガードレール、白線または柵が直線状の場合には車両前部路側端から車幅方向に延長した線との交点までの距離（B）、縁石、ガードレール、白線または柵が屈曲している場合には当該屈曲交点までの距離（B）と、前記交点間の距離（C）とを求め、これら３つの距離（A）、（B）、（C）から自車と縁石、ガードレール、白線または柵までの距離（D）および自車の縁石、ガードレール、白線または柵に対する姿勢角（φｎ）を把握し、自車位置と前記目標経路とのずれを算出し、このずれを修正するように操舵することを特徴とする自動運転における進路制御方法。
2. 請求項１に記載の自動運転における進路制御方法において、バス停の縁石に横づけするため式（１）及び式（２）により軌跡を算出し、式（３）式（４）により軌跡に沿うための実舵角を算出することを特徴とする自動運転における進路制御方法。
   

   
3. 請求項１または請求項２に記載の自動運転における進路制御方法において、前記計測装置によって、バス停の縁石形状から横偏差と角度偏差を検出して軌跡に沿うための実舵角を算出することを特徴とする自動運転における進路制御方法。

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