JP7019885B2 - 車両制御値決定装置、車両制御値決定方法、およびプログラム - Google Patents
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Description
図1は、車両運動ダイナミクスを示す図である。車両運動ダイナミクスは、後輪軸中心を運動原点とするBicycleモデルであり、制御入力値を加速度uα[m/sec2]と曲率変化率uκ[m-1sec-1]の時系列信号とする。車両の状態量として位置X[m]、Y[m]、ヨー角θ[rad]、速度V[m/sec]、曲率κ[m-1]を扱う。以下では、ある時刻kにおける車両状態ベクトルを、z(k)=[uα(k),uκ(k),X(k),Y(k),θ(k),V(k),κ(k)]と定義する。本実施の形態では、前輪舵角δ[rad]及び舵角変化率 uδ[rad/sec]を扱う代わりに、車両運動の曲率κと曲率変化率uκを用いている。これにより、最適化の等式制約となる運動方程式から非線形項を減らすことができる。なお,曲率κと前輪舵角δの間には、κ=tan(δ)/ホイールベースの関係を仮定する。車両の各状態に関する離散時間運動方程式を以下に示す。
自車両が陥るべきでない状態を不等式によって定式化し、非線形最適化における不等式制約として扱う。自車両の速度および制御入力値(加速度、曲率変化率)の上下限設定、車間距離制限、道路からの逸脱防止を実現する。
図3は、車両制御値決定装置10の構成を示す図である。車両制御値決定装置10は、フィードバックコントローラ(以下、「FBC」という)20と接続されている。車両制御値決定装置10にて決定された制御値の信号に基づいて、FBC20が自車両21を制御する。車両制御値決定装置10は、車両の加速度及び曲率変化率の予測ホライズン長にわたる時系列信号を、FBC20に出力する。この時系列信号は、車両運動を空間的に連続で表現するので、グラフ探索に代表される離散空間的なアプローチと比較してより滑らかな解を期待できる。本実施の形態において、例えば、車両制御値決定装置10の予測ホライズンHpは10[step]、動作周期ΔTは0.5[sec]とする。FBC20の制御周期は、8[msec]である。
この仮定を導入することにより、近似問題中では全ホライズンにわたる加速度uαを一定値に固定する。これにより、求める制御入力値の時系列は曲率変化率uκ,k=0,・・・Hpのみとなる。自車両21の他の状態変数は、上述した式(1)~(5)の車両運動モデルに基づいて、現在値x(0)と制御入力から自動的に決定される。
ある任意の車両状態から、任意のヨー角θ、曲率κに車両状態を合わせるためには、3つの制御入力uκで実現できる。部分問題の最小構成は、MPCのサンプリング周期ΔTによる3ステップ(3ΔT)の時間長における制御入力の決定問題である。ただし、ステップの時間長とサンプリング周期ΔTは必ずしも一致しなくてもよく、例えば、2つのサンプリング周期2ΔTを1ステップとしてもよい。
道路をスムーズに走行するためには、道路の進行方向と車両向き、道路曲率と車両運動の曲率がほぼ等しくなることが望ましい。3ステップのモデルにおいて、第1ステップの開始時点の自車両21のヨー角及び曲率は観測可能である。第3ステップ終了時の自車両21のヨー角と曲率の目標値を道路の進行向きと道路曲率に等しくなるように決定する。すると残りは、第1ステップ終了時と第2ステップ終了時の自車両21のヨー角θと曲率κの状態である。この2状態を任意の値に遷移させる制御値の時系列データを得る。
11 等加速3操舵モデル演算部
12 非線形最適化演算部
20 フィードバックコントローラ
21 自車両
22 周辺監視部
23 環境データベース
Claims (12)
- 始端における車両の状態量と道路の形状に関する情報に基づいて、前記始端から所定時間後までの予測ホライズンにおける車両の制御値を決定する装置であって、
一定加速度での移動を仮定した第1ステップ、第2ステップ、及び第3ステップからなり、(a)車両加速度を一定とし、(b)3ステップの行動決定を最小の部分問題とし、(c)車両のヨー角θ、曲率κの2状態を任意の値に遷移させる制御値を得る構成を有する、車両運動の等加速3操舵モデルを生成すると共に、前記第3ステップ終了後の車両のヨー角及び曲率を道路の形状に基づいて決定し、前記始端における車両のヨー角及び曲率と前記第3ステップ終了後の車両のヨー角及び曲率を満たすように、前記第1ステップから前記第3ステップにおける車両の曲率変化率の時系列データを車両の制御値として決定する演算部を備える車両制御値決定装置。 - 前記演算部は、前記予測ホライズンを分割し、分割された各区間について前記等加速3操舵モデルを生成し、前記各区間の第1ステップから第3ステップにおける曲率変化率の時系列データを決定する請求項1に記載の車両制御値決定装置。
- 他車両の位置及び速度のデータを取得する他車データ取得部を備え、
前記演算部は、他車両との衝突が発生しないことを条件として、前記曲率変化率の時系列データを決定する請求項1または2に記載の車両制御値決定装置。 - 前記演算部は、車両の走行経路が道路範囲から逸脱しないことを条件として、前記曲率変化率の時系列データを決定する請求項1乃至3のいずれかに記載の車両制御値決定装置。
- 前記演算部は、前記第1ステップ終了後の曲率の複数の候補を生成し、当該複数の候補のそれぞれについて、前記第3ステップ終了後の車両のヨー角及び曲率を満たすように、前記第2ステップ終了後の曲率を求め、
前記複数の候補に対応する前記曲率変化率の時系列データのうち、当該曲率変化率の時系列データに含まれる最大の曲率変化率が最小である曲率変化率の時系列データを選択する請求項1乃至4のいずれかに記載の車両制御値決定装置。 - 前記演算部は、前記第1ステップ終了後の複数の曲率の複数の候補を生成し、当該複数の候補のそれぞれについて、前記第3ステップ終了後の車両のヨー角及び曲率を満たすように、前記第2ステップ終了後の曲率を求め、
前記複数の候補に対応する前記曲率変化率の時系列データのうち、前記第3ステップ終了後において車両が所定のラテラル位置に到達する曲率変化率の時系列データを選択する請求項1乃至4のいずれかに記載の車両制御値決定装置。 - 前記曲率の複数の候補の一つは、道路の曲率と同じである請求項5または6に記載の車両制御値決定装置。
- 前記演算部は、曲率および曲率変化率に代えて前輪舵角および舵角変化率を用いる請求項1乃至7のいずれかに記載の車両制御値決定装置。
- 前記等加速3操舵モデルにおける前記第1ステップから前記第3ステップの少なくとも1つのステップは、前記予測ホライズンにおける離散時間制御のサンプリング時間とは異なる請求項1乃至8のいずれかに記載の車両制御値決定装置。
- 前記演算部で求めた曲率変化率の時系列データと前記一定加速度とを初期値として、車両運動のコスト関数の非線形最適化を行い、曲率変化率および加速度の制御値を求める第2の演算部を備える請求項1乃至7または9のいずれかに記載の車両制御値決定装置。
- 始端における車両の状態量と道路の形状に関する情報に基づいて、前記始端から所定時間後までの予測ホライズンにおける車両の制御値を決定する方法であって、
一定加速度での移動を仮定した第1ステップ、第2ステップ、及び第3ステップからなり、(a)車両加速度を一定とし、(b)3ステップの行動決定を最小の部分問題とし、(c)車両のヨー角θ、曲率κの2状態を任意の値に遷移させる制御値を得る構成を有する、車両運動の等加速3操舵モデルを生成するステップと、
前記第3ステップ終了後の車両のヨー角及び曲率を道路の形状に基づいて決定するステップと、
前記始端における車両のヨー角及び曲率と前記第3ステップ終了後の車両のヨー角及び曲率を満たすように、前記第1ステップから前記第3ステップにおける車両の曲率変化率の時系列データを車両の制御値として決定するステップと、
を備える車両制御値決定方法。 - 始端における車両の状態量と道路の形状に関する情報に基づいて、前記始端から所定時間後までの予測ホライズンにおける車両の制御値を決定するためのプログラムであって、コンピュータに、
一定加速度での移動を仮定した第1ステップ、第2ステップ、及び第3ステップからなり、(a)車両加速度を一定とし、(b)3ステップの行動決定を最小の部分問題とし、(c)車両のヨー角θ、曲率κの2状態を任意の値に遷移させる制御値を得る構成を有する、車両運動の等加速3操舵モデルを生成するステップと、
前記第3ステップ終了後の車両のヨー角及び曲率を道路の形状に基づいて決定するステップと、
前記始端における車両のヨー角及び曲率と前記第3ステップ終了後の車両のヨー角及び曲率を満たすように、前記第1ステップから前記第3ステップにおける車両の曲率変化率の時系列データを車両の制御値として決定するステップと、
を実行させるプログラム。
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JP2018095042A JP7019885B2 (ja) | 2018-05-17 | 2018-05-17 | 車両制御値決定装置、車両制御値決定方法、およびプログラム |
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