JP7212702B2 - 車両制御装置、車両制御方法、及び車両制御システム - Google Patents

Description

本発明は、目標軌道に基づき車両の運動を制御する、車両制御装置、車両制御方法、及び車両制御システムに関する。

特許文献１の車両制御システムは、故障時にシステムから運転手に運転を切り替えるまでの間の緊急軌道を計算する緊急軌道生成部を有する軌道生成判断部と、前記緊急軌道を保持する軌道保持部と故障検知部で検知した故障状態に基づいて前記軌道保持部で保持された緊急軌道で走行するかを切り替える軌道切替部とを有する運動制御部と、で構成される。

特開２０１６－３７１４９号公報

外界認識、軌道計画、経路生成などの認識、判断を行う上位コントローラと、当該上位コントローラから目標軌道に関する信号を取得して車両の運動を制御する下位コントローラとを有する車両制御システムでは、上位コントローラにおける認識や判断には高度な処理が必要であり、下位コントローラが取得する目標軌道に関する信号に遅れが生じる場合があった。
また、車両の運動を制御するアクチュエータにおいては、指令に対して応答遅れが発生する場合があり、更に、アクチュエータの作動に対する車両の動きにも応答遅れが生じることがあった。
そして、上記のような遅れ要素によって、目標軌道に対する走行軌道にずれが生じたり、蛇行のような不安定な挙動が生じるおそれがあった。

本発明は、従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、目標軌道に対する走行軌道の遅れを改善することができる、車両制御装置、車両制御方法、及び車両制御システムを提供することにある。

本発明の一態様によると、目標軌道に関する信号と車両の位置に関する信号とに基づき、前記車両の位置と前記目標軌道との偏差を減らす運動指令を前記車両に与えたときの前記車両の挙動を予測して、現時点からサンプリング周期後における前記車両の位置を予測する処理を実施し、前回処理で予測した前記車両の位置と、前記目標軌道との偏差を減らす運動指令を前記車両に与えたときの前記車両の挙動を予測して、前記サンプリング周期後における前記車両の位置を予測する処理を繰り返すことで、現時点から前記車両の運動制御における遅れ要素に応じた所定時間後における運動指令を予測し、予測した前記所定時間後における運動指令を前記車両の運動を制御するアクチュエータへ出力することを特徴としている。

本発明によれば、目標軌道に対する走行軌道の遅れを改善することができる。

車両制御システムのブロック図である。 車線維持支援機能を示す図である。 追従走行支援機能を示す図である。 自動運転機能を示す図である。 目標軌道点の位置情報の表し方を示す図である。 目標軌道点の蓄積による目標軌道の生成を示す図である。 車両制御システムの詳細構成を示すブロック図である。 目標軌道に基づく運動制御系を示すブロック図である。 目標軌道に対する走行軌道の遅れを示す図である。 パワーステアリング装置（アクチュエータ）の応答遅れを示す図である。 逆モデルによるフィードフォワード法を示すブロック図である。 目標軌道に対する走行軌道の遅れを示す図である。 車両の挙動を早くしたときの目標軌道と走行軌道との相関を示す図である。 指令値を予測するためのシミュレーションによる車両挙動の演算処理を示すブロック図である。 シミュレーションによる車両挙動の演算結果を示す図である。 車両制御システムの詳細構成を示すブロック図である。 自車位置と目標点との相関を絶対座標系で示す図である。 自車位置と目標点との相関を車両座標系で示す図である。 目標軌道点の遅れによる軌道誤差を示す図である。 目標軌道点の補正処理を示すブロック図である。 座標系の定義を説明するための図である。 ヨー角度の定義を説明するための図である。 外部から見た車両挙動を示す図である。 絶対座標系上での軌道点の動きを示す図である。 車両座標系上での軌道点の動きを示す図である。 目標軌道点の遅れの補償処理を示す図である。

以下、本発明に係る車両制御装置、車両制御方法、及び車両制御システムの実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、車両制御システムの一態様を示すブロック図である。

図１の車両制御システム１００は、車両１０の運動を制御するシステムで、第１コントローラとしての自動運転コントロールユニット（ＡＤＣＵ）２００、及び、第２コントローラとしての車両運動コントロールユニット（ＶＭＣＵ）３００を有する。
なお、ＡＤＣＵ２００及びＶＭＣＵ３００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを有するマイクロコンピュータを備えた電子制御装置である。

ＡＤＣＵ２００は、例えば図２－図４に示すような運転支援機能において目標軌道の生成を行う。
図２は、カメラによって認識した車線の中央付近を維持する車線維持支援機能（ＬＫＳ）を示す。
ＡＤＣＵ２００は、車線維持支援機能において、例えば、認識した左右の白線の中央付近に自車両の目標位置である目標軌道点を設定し、運転者による設定車速を目標軌道点での車速とする。

図３は、レーダやカメラによって先行車を認識し、先行車との車間距離を一定に保ちながら走る追従走行支援機能（ＡＣＣ）を示す。
ＡＤＣＵ２００は、追従走行支援機能において、先行車が存在する場合は、先行車上に目標軌道点を設定し、先行車に対して所定の車間距離を維持できる車速を目標軌道点での車速とする。

図４は、地図情報や外界認識結果などに基づき目的地までの目標経路を設定し、目的地までの自律的な走行を支援する自動運転機能（ＡＤ）を示す。
ＡＤＣＵ２００は、自動運転機能において、設定した目標経路上に目標軌道点を設定し、走行している道路の制限速度や自動運転での目標速度を目標軌道点の車速とする。

前記目標軌道点は、図５に示すように、自車両の前後方向をｘ軸、自車両の車幅方向をｙ軸とする車両座標系での座標（ｘ、ｙ）、目標軌道点での車両前後軸方向と現時点での前後軸方向とがなす角度としてのヨー角θ、軌道上を曲率に沿って走行した場合の距離Ｌで表される。
なお、車両座標系のｙ軸において、左旋回方向をプラスで表すものとする。
また、目標軌道は、絶対座標系で決まるので、軌道は必ずしも車両座標系の原点、例えば車両重心を起点としない。

ＡＤＣＵ２００は、目標軌道点に関する信号（ｘ、ｙ、θ、Ｌ）を、車両制御装置であるＶＭＣＵ３００に出力する。
ＶＭＣＵ３００は、図６に示すように、ＡＤＣＵ２００から取得した目標軌道点に関する信号（ｘ、ｙ、θ、Ｌ）を蓄積して目標軌道を生成する。つまり、ＶＭＣＵ３００は、時系列に取得した複数の目標軌道点を結んで目標軌道を生成する。

そして、車両制御装置としてのＶＭＣＵ３００は、目標軌道に沿って設定速度で自車両が走行するように自車両の運動に関する指令を求め、車両１０の運動を制御するアクチュエータであるエンジン４００、油圧式ブレーキ装置５００、パワーステアリング装置６００に作動指令を出力する。
詳細には、ＶＭＣＵ３００は、車両１０の駆動装置であるエンジン４００にトルク指令を出力し、車両１０の制動装置である油圧式ブレーキ装置５００に液圧指令を出力し、車両１０の操舵装置であるパワーステアリング装置６００に舵角指令を出力して、車両１０の運動を制御する。

図７は、図１に示した車両制御システム１００をより詳細に示す機能ブロック図である。
車両制御システム１００は、ＡＤＣＵ２００、ＶＭＣＵ３００とともに、ステレオカメラ７０１、高精度地図（ＭＰＵ）７０２、衛星測位システム（ＧＰＳ）７０３、レーダ７０４、全方位カメラ７０５などの外界状況や自車位置を認識するための装置を有する。

また、車両制御システム１００は、車両１０の走行状態を検出する走行状態検出センサ７１０を有する。
走行状態検出センサ７１０は、車両１０のヨーレートを検出するヨーレートセンサ７１１、車両１０の横加速度を検出する横加速度センサ７１２、車両１０の前後加速度を検出する前後加速度センサ７１３、車両１０の走行速度を検出する車速センサ７１４などを含む。

ＡＤＣＵ２００は、認識処理部２１０及び軌道計画部２２０を有する。
認識処理部２１０は、ステレオカメラ７０１、高精度地図７０２、衛星測位システム７０３、レーダ７０４、全方位カメラ７０５などからの情報に基づいて、自車の外界状況や自車位置などの認識処理を行う。

認識処理部２１０は、認識した自車の外界状況や自車位置などの情報を軌道計画部２２０に出力する。
軌道計画部２２０は、外界状況や自車位置など情報に基づき目標軌道点（ｘ、ｙ、θ、Ｌ）を求め、目標軌道に関する信号として目標軌道点（ｘ、ｙ、θ、Ｌ）の信号を、ＶＭＣＵ３００に出力する。

ＶＭＣＵ３００は、車両運動制御部３１０、車両モデル３２０、先読み補償部３３０を有する。
図８は、車両運動制御部３１０による目標軌道への追従制御機能を示す機能ブロック図であり、車両運動制御部３１０は、軌道制御部３１１及び運動制御部３１２を有する。

車両運動制御部３１０は、目標軌道点（ｘ、ｙ、θ、Ｌ）の信号を蓄積して目標軌道を生成する。
ここで、目標軌道は車両座標系で定義されるため自車位置が原点となり、目標軌道が原点を通っていれば正確な追従制御が行われていることを示し、目標軌道が原点を通っていない場合は自車位置と目標軌道に偏差があることを示す。

そこで、軌道制御部３１１は、自車位置と目標軌道との偏差を減らすように、フィードバック制御などを行って運動指令を演算する。軌道制御部３１１が演算する運動指令は、力（Fx, Fy, M）或いは加速度（ax, ay）で表現される。
運動制御部３１２は、軌道制御部３１１が演算した運動指令を、エンジン４００、油圧式ブレーキ装置５００、パワーステアリング装置６００などのアクチュエータへの指令に変換し、エンジン４００にトルク指令を出力し、油圧式ブレーキ装置５００に液圧指令を出力し、パワーステアリング装置６００に舵角指令を出力する。

各アクチュエータは、運動制御部３１２からの指令を実現するように、指令値、換言すれば、目標値に基づくフィードフォワード制御や指令値と制御量との偏差に基づくフィードバック制御などの電子制御を実施する。その結果、車両１０及び外部環境によって自車位置が変化し、目標軌道が変化する。
先読み補償部３３０は、車両制御システム１００の各制御、プラント毎の応答遅れ、換言すれば、目標軌道及び車両１０の走行状態に基づく車両１０の運動の制御における遅れ要素（時間遅れ要素）を補償するための機能ブロックである。

ここで、上記の遅れ要素は、各センサにおける検出遅れ、ＡＤＣＵ２００の認識処理部２１０や軌道計画部２２０の処理遅れ、ＡＤＣＵ２００からＶＭＣＵ３００に向けた目標軌道点の信号の通信遅れ、パワーステアリング装置６００などのアクチュエータにおける指令に対する応答遅れ、更に、アクチュエータの作動に対する車両１０の応答遅れなどを含む。

そして、係る遅れ要素は、制御偏差を生じさせ、目標軌道への追従精度を下げる要因となる。また蛇行のような不安定な挙動が生じる要因となる。
そこで、先読み補償部３３０は、遅れ要素に応じた所定時間ＰＰＴだけ未来の時点での車両運動の指令値、換言すれば、目標走行状態を予測し、予測した指令値をアクチュエータに出力することで、所定時間ＰＰＴだけ早いタイミングでアクチュエータを作動させ、遅れ要素の補償を行う。

図９及び図１０は、車線移行を２回連続して行うダブルレーンチェンジを自動で行ったときに、主に操舵の遅れによって、実際の走行軌道が目標軌道に対して高速になるほど遅れる様子を示す。
図９は、実際の走行軌道と目標軌道との相関を示す図であり、車速が２０km/hであるときの実際の走行軌道と、車速が６０km/hであるときの実際の走行軌道とを示す。
ここで、実際の走行軌道の目標軌道に対する遅れは、車速が２０km/hであるときよりも車速が６０km/hであるときに大きくなっている。

図１０は、車速が６０km/hであるときの実際の舵角と舵角指令との相関を示し、操舵指令に対する実操舵角の遅れが生じる様子、換言すれば、パワーステアリング装置６００における指令に対する応答遅れを示す。
つまり、図１０に示したパワーステアリング装置６００の指令に対する応答遅れによって、図９に示すように、車両１０の走行軌道が目標軌道に対して遅れることになり、軌道追従制御における追従精度を向上させるためには、応答遅れによる追従精度の低下を補償する必要がある。

応答遅れを補償するための手法としては、図１１に示すように、制御系の応答モデルの逆モデルを挿入するフィードフォワード法がある。
逆モデルとは、ダイナミカルシステムの出力である運動軌道を入力とし、出力を運動指令とするモデルである。
そして、車両制御システム１００では、目標軌道を実現するための指令を導出するシステムになり、パワーステアリング装置６００の指令に対する応答遅れなどを補償することができる。

しかし、逆モデルを用いたフィードフォワード制御システムは、以下のような問題がある。
（１）各モデル要素は一般にプロパーであって、逆モデルの演算には微分が必要となるため、計算機上で実現しにくいか或いは実現できない。
（２）各モデル間でフィードバック要素がある場合、全体の逆モデルが各要素の逆モデルの積ではなくなり、複雑式になる。また、フィードフォワード項の挿入場所によってはフィードフォワード項自体が全体の応答モデルを変えてしまい安定しない。
（３）非可制御なモデルの場合、逆モデルが計算できない。
（４）時変モデル、非線形モデルが含まれると、逆モデルが計算できない。

これらの問題を解決するために、局所的なモデル化や、バンドパスフィルタの応用、オブザーバや最適制御、モデル予測制御などの手法が様々に存在する。
しかし、これらの手法でも図８に示したような車両全体の制御を対象にした場合、非線形が強く複数のサブシステムが複雑に関係し合うため、包括的な対応は非常に難しい。
複雑な系の応答補償器が実現しにくい一因は系の表現が周波数応答に基づいた伝達関数表現であり、応答遅れを周波数によって変化する位相遅れとして扱っていることによる。しかし、実用上の遅れは時間遅れである。
そこで、車両制御システム１００では、周波数応答を補償するのではなく、結果的としての挙動を早くすることのみを目的として応答改善を図るようにした。

図１２は、目標軌道に対して実際の走行軌道が遅れている状態を示し、図１３は、車両の挙動を所定時間ＰＰＴだけ早くすることで、目標軌道に対する実際の走行軌道の遅れを抑えた状態を示す。
つまり、図１３の走行軌道を実現するためには、遅れ要素に応じた所定時間ＰＰＴだけ早いタイミングでアクチュエータを動かせばよい。
そこで、ＶＭＣＵ３００の先読み補償部３３０は、所定時間ＰＰＴ後のタイミングで計算する指令値、換言すれば、所定時間ＰＰＴ後の目標走行状態を予測し、予測した指令値をアクチュエータに出力することで、目標軌道に対する実際の走行軌道の遅れを抑え、軌道追従制御の応答を改善する。

先読み補償部３３０は、所定時間ＰＰＴ後のタイミングで計算すると予測される指令値を求めるために、現在の自車位置から始まる今後の車両挙動を、図８に示した制御系のモデル（順モデル）に基づくシミュレーションを、所定時間ＰＰＴ分（換言すれば、タスク周期ｎ回分）繰り返すことで求め、ｎ回目のシミュレーションでの運動指令をアクチュエータに出力して、アクチュエータを制御する。

図１４は、シミュレーションの繰り返しを説明するための概念図で、図１５は、シミュレーションによる車両挙動の演算結果を例示する。
モデル予測制御器としての先読み補償部３３０は、まず、計算開始時ｔ₀における車両座標系の原点（x_{es_t0}、y_{es_t0}、θ_{es_t0}）＝（0、0、0）を自車位置として、当該自車位置（x_{es_t0}、y_{es_t0}、θ_{es_t0}）＝（0、0、0）及び目標軌道の情報（換言すれば、予測初期値）を伝達関数モデルなどの予測モデルに与え、自車位置（x_{es_t0}、y_{es_t0}、θ_{es_t0}）と目標軌道との偏差を減らすための運動指令を与えたときの車両挙動を予測して、サンプリング周期後である先の時刻t₁における自車位置（x_{es_t1}、y_{es_t1}、θ_{es_t1}）を模擬的に求める。

運動指令は、例えば、前方注視点時間後に自車両が到達する位置と目標位置とのずれに応じて舵角を決定する方法などで求められる。
次いで、先読み補償部３３０は、予測した時刻t₁における自車位置（x_{es_t1}、y_{es_t1}、θ_{es_t1}）と目標軌道とを予測モデルに与え、自車位置（x_{es_t1}、y_{es_t1}、θ_{es_t1}）と目標軌道との偏差を減らすための運動指令を与えたときの車両挙動を予測して、時刻t₁から更に先の時刻t₂における自車位置（x_{es_t2}、y_{es_t2}、θ_{es_t2}）を予測する。

更に、先読み補償部３３０は、予測した時刻t₂における自車位置（x_{es_t2}、y_{es_t2}、θ_{es_t2}）と目標軌道とを予測モデルに与え、自車位置（x_{es_t2}、y_{es_t2}、θ_{es_t2}）と目標軌道との偏差を減らすための運動指令を与えたときの車両挙動を予測して、時刻t₂から更に先の時刻t₃における自車位置（x_{es_t3}、y_{es_t3}、θ_{es_t3}）を予測する。
以後、先読み補償部３３０は、前述したシミュレーション（換言すれば、モデル予測制御）を、車両１０の運動制御における遅れ要素に応じた所定時間ＰＰＴ分に相当するｎ回だけ繰り返すことで、現時点から所定時間ＰＰＴ後に演算するであろう運動指令を予測し、予測した運動指令をパワーステアリング装置６００などのアクチュエータに出力する。

換言すれば、先読み補償部３３０は、アクチュエータの指令履歴を予測モデルに入力させることを繰り返すことで、現時点から所定時間ＰＰＴ後に演算するであろう運動指令を予測する。
なお、上記のシミュレーションを実施する場合は、所定時間ＰＰＴ以後の目標軌道点が取得されていることが条件となる。これは、所定時間ＰＰＴよりも手前の目標軌道点しか取得していないと、運動指令の予測ができなくなるためである。
係る先読み補償を実施することで、所定時間ＰＰＴだけ早いタイミングでアクチュエータを動かすことになり、車両１０の運動制御に遅れ要素があるときに、目標軌道に対する実際の走行軌道の遅れを抑えることができ、軌道追従制御の応答が改善する。

上記のシミュレーションの繰り返しによる応答遅れの補償（換言すれば、先読み補償）は、以下の特徴を有する。
（１）逆モデルを必要としないため、非可制御、時変モデル、非線形モデルを区別せずに、シミュレーションできるモデルには全て適用できる。
（２）シミュレーションの精度を上げることで、軌道追従制御の制御性能を上げることができる。

シミュレーションの繰り返し回数を規定する所定時間ＰＰＴは、車両１０の運動制御における遅れ要素に応じて予め適合される時間である。
車両１０の運動制御における遅れ要素は、アクチュエータの応答遅れ、目標軌道点の信号（換言すれば、目標軌道に関する信号）の遅れ、車両自体の遅れなどを含み、これらの遅れ要素に基づき、目標軌道に対する実際の走行軌道の遅れを抑制するように所定時間ＰＰＴを決定する。

例えば、目標軌道に対する実際の走行軌道の遅れが主にパワーステアリング装置６００などのアクチュエータの応答遅れで生じる場合、所定時間ＰＰＴは、アクチュエータ、つまり、パワーステアリング装置６００の応答遅れ時間に応じた時間とすることができる。
また、アクチュエータの応答遅れとともに、目標軌道点の信号（換言すれば、目標軌道に関する信号）にも遅れがある場合、所定時間ＰＰＴは、アクチュエータの応答遅れ時間及び目標軌道点の信号の遅れ時間に基づき適合される。

なお、目標軌道点の信号の遅れは、外界状況などの認識遅れ、ＡＤＣＵ２００での目標軌道点の信号の処理遅れ、更に、ＡＤＣＵ２００からＶＭＣＵ３００への目標軌道点の信号の通信遅れなどによって生じる。
また、目標軌道点の信号の遅れ時間に基づく所定時間ＰＰＴの適合においては、目標軌道点の複数の信号（ｘ、ｙ、θ）のうちで最も遅れが大きい信号の遅れ時間に基づき所定時間ＰＰＴを適合することが好ましい。

所定時間ＰＰＴをアクチュエータの応答遅れ時間と目標軌道点の信号の遅れ時間とに基づき設定する場合、所定時間ＰＰＴは、アクチュエータの応答遅れ時間から目標軌道点の信号の遅れ時間を減算した時間に基づき適合する。
更に、目標軌道点の信号の遅れ時間がアクチュエータの応答遅れ時間以上になるシステムの場合、所定時間ＰＰＴを零として、ＶＭＣＵ３００が現在のタイミングでの運動指令値に基づきアクチュエータを制御するよう構成する。

目標軌道点の信号の遅れがない場合、ＶＭＣＵ３００は、現時点からアクチュエータの応答遅れ時間だけ先の時点での運動指令を予測すればよいことになるが、目標軌道点の信号に遅れが生じた場合、目標軌道点の本来の取得タイミングを基準に、アクチュエータの応答遅れ時間だけ先の時点での運動指令値を予測する必要が生じる。
しかし、現時点は、目標軌道点の本来の取得タイミングから遅れているので、現時点を基準にすると、目標軌道点の本来の取得タイミングからアクチュエータの応答遅れ時間だけ先の時点は、現時点から、アクチュエータの応答遅れ時間から目標軌道点の信号の遅れ時間を減算した時間だけ先の時点になる。

そこで、目標軌道点の信号の遅れがある場合、所定時間ＰＰＴは、アクチュエータの応答遅れ時間から目標軌道点の信号の遅れ時間を減算した時間に応じた時間とする。これにより、アクチュエータの応答遅れ及び目標軌道点の信号の遅れを考慮して目標軌道に対する走行軌道の遅れを改善することができる。
また、目標軌道点の信号の遅れ時間がアクチュエータの応答遅れ時間以上になるシステムでは、先読みが不要であるので、ＶＭＣＵ３００が現在のタイミングでの運動指令値に基づきアクチュエータを制御する。

なお、ＡＤＣＵ２００は、目標軌道点の信号の遅れ時間に関する信号を目標軌道点の信号と対にしてＶＭＣＵ３００に送信し、ＶＭＣＵ３００は、目標軌道点の信号とともに送信された目標軌道点の信号の遅れ時間の情報を取得し、取得した目標軌道点の信号の遅れ時間を予めメモリに保存してあるアクチュエータの応答遅れ時間から減算して所定時間ＰＰＴ（シミュレーションの繰り返し回数）を設定することができる。

図１６は、車両制御システム１００の第２実施形態を示す。
なお、図７に示した車両制御システム１００と同一の要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図１６の車両制御システム１００におけるＶＭＣＵ３００は、車両運動制御部３１０、車両モデル３２０、先読み補償部３３０とともに、位置変化予測部３５０、軌道補正部３６０を有する。

位置変化予測部３５０、軌道補正部３６０は、後で詳細に説明するように、ＡＤＣＵ２００から取得した目標軌道点の信号の遅れを補償するための機能ブロックである。
つまり、図１６の車両制御システム１００は、先に説明した、所定時間ＰＰＴ後のタイミングで計算すると予測される指令値を求めてアクチュエータに出力する先読み機能、及び、目標軌道点の信号の遅れを補償する機能を有する。

位置変化予測部３５０及び軌道補正部３６０の機能を、図１７及び図１８に基づき概説する。
図１７は、絶対座標系での車両１０の位置と目標駆動点との相関を示し、図１８は、車両座標系での車両１０の位置と目標駆動点との相関を示す。

ここで、外界状況の認識遅れ、ＡＤＣＵ２００の認識処理部２１０や軌道計画部２２０の処理遅れ、ＡＤＣＵ２００からＶＭＣＵ３００に向けた目標軌道点の信号の通信遅れなどによるＶＭＣＵ３００が取得する目標軌道点の信号の遅れ時間をＴ1（ms）とする。
そして、現在から時間Ｔ１前での自車位置、現在の自車位置、及び、現在から時間Ｔ１前での目標軌道点が、絶対座標系で図１７に示すような位置であると仮定する。
図１７は、時間Ｔ１前での自車位置は目標軌道よりも右にずれていて、現在の自車位置は目標軌道よりも左にずれている状態を例示する。

一方、図１８は、現在から時間Ｔ１前での目標軌道点は車両前後軸よりも左に位置することを示す。
ここで、図１７に示す現在の自車位置の場合、本来は目標軌道に向けて右方向に軌道修正することが要求されるが、図１８に示す現在から時間Ｔ１前での目標軌道点は車両前後軸よりも左に位置する。

つまり、図１７及び図１８は、目標軌道点の遅れによって、本来の方向とは逆方向に軌道修正を行ってしまうことがあることを示す。
このため、ＶＭＣＵ３００は、ＡＤＣＵ２００から遅れをもって取得した目標軌道点、つまり、時間Ｔ１前の目標軌道点に基づき運動指令を決定すると、図１９に示すように、目標軌道に対する走行軌道の誤差（換言すれば、左右方向の偏差）を生じることになる。

そこで、位置変化予測部３５０及び軌道補正部３６０は、ＡＤＣＵ２００から取得した目標軌道点、つまり、遅れ時間だけ前の時点での目標軌道点を、現在の自車位置を基準とした目標軌道点に変換する処理を実施する。
図２０は、位置変化予測部３５０及び軌道補正部３６０の処理内容を具体的に示す機能ブロック図である。

位置変化予測部３５０は、現在の自車位置をデッドレコニングによって推定する。
軌道補正部３６０は、ＡＤＣＵ２００から取得した車両座標系での目標軌道点、つまり、時間Ｔ１前の目標軌道点を絶対座標系に変換し、位置変化予測部３５０が推定した現在の自車位置と目標軌道点との絶対座標系での相対位置を車両座標系に変換して、現在の自車位置を基準とした目標軌道点の情報である補正後の目標軌道点を得る（図１８参照）。
そして、車両運動制御部３１０は、軌道補正部３６０から取得した補正後の目標軌道点を蓄積して目標軌道を生成する。

以下では、位置変化予測部３５０及び軌道補正部３６０の処理内容をより詳細に説明する。
図２１は、絶対座標系及び車両座標系の定義を示す模式図であり、図２２は、ヨー角の定義を示す。

なお、ｘは車両が向いている方向（換言すれば、前後方向）の位置、ｙは左右方向の位置、θはヨー方向の角度を示す。
また、本願では、絶対座標系は添え字「wo」で表し、車両座標系を添え字「ve」で表すものとする。
また、添え字「,ｔ_n」は、時刻ｔ_nにおける座標系であることを意味し、時刻ｔ₀はθの計算を開始した時点とし、一般的には時刻ｔ₀は車両の起動時や制御の開始時に相当する。

θ_bdは車両１０が有する認識手段によって取得されたx_ve軸のヨー角度方向であり、任意の方向を基準とすることができる。ヨー角度方向は、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）や地磁気を用いる場合は、北を０とした方向とする。また、ヨーレートセンサの積分を用いている場合は、θ_bd,t₀=０とする積分値となる。
これらの手段により、時刻ｔ_nにおけるヨー角度はθbd,ｔ_nとして認識でき、絶対座標は、x_wo軸がθ_bd,t₀方向を向いている座標系であり、車両座標系はx_ve軸がθ_bd,t_n方向を向いている座標系である。

したがって、時刻ｔ_nにおける絶対座標系上の車両座標系の方向は数式１で求まる。

また、絶対座標系上の座標を車両座標系上の座標に変換する式は、数式２になる。

そして、車両座標系上の座標を絶対座標系上の座標に変換する式は、数式３になる。

次に、位置変化予測部３５０におけるデッドレコニングを詳述する。
図２３－図２５は、同じ車両挙動が座標系によって見え方が異なることを示す模式図であり、図２３は外部から見た車両挙動、図２４は絶対座標系上の軌道点の動き、図２５は、車両座標系上の軌道点の動きを示す。

図２３のように、時刻t₁, t₂, t₃で軌道に添って走行している車両がそれぞれ図中の矢印のように（dx_bv,t_n，dy_bv,t_n）で移動しているとすると、外部から見たときの車両の位置（x_bv,t_n，y_bv,t_n）は、数式４で求まる。

ここで、絶対座標系上での移動量（dx_wo，dy_wo）は、外部から見たときの移動量（dx_bv，dy_bv）、車両座標系での移動量（dx_ve，dy_ve）を用いて、数式５で表される。

ヨー角度のデッドレコニングをヨーレートセンサで行う場合、ヨーレートセンサのゼロ点の精度が重要である。
ヨーレートの真値をω_re、センシングされた値をω_snとすると、ヨーレートセンサゼロ点の誤差Δω_zrによって、デッドレコニング結果のヨー角度θ_bdは数式６で求められ、真のヨー角度θ_reとずれが生じる。

数式６から、誤差Δω_zr＝0でない限り、時間経過に応じてθ_bdは真値から乖離するが、ヨーレートセンサは温度ドリフト等の特性を持ち、Δω_zr＝0とするのは非常に難しい。なお、ヨー角度は、ＧＰＳや地磁気センサなどほかの手段で取得してもよい。

ＶＭＣＵ３００がＡＤＣＵ２００から取得する目標軌道点は、本来現在の目標軌道点であることが望ましいが、ＡＤＣＵ２００における計算遅れやＡＤＣＵ２００とＶＭＣＵ３００との間での通信遅れなどによって、ＶＭＣＵ３００は、遅れ時間だけ過去の時点での目標軌道点の情報を取得することになる。
そこで、ＶＭＣＵ３００は、遅れ時間だけ過去の時点ｔ_n-dから現在ｔ_nまでの車両の動きを推定するデッドレコニングを行い、車両の動きの推定結果に基づき遅れ時間に対する補償を実施する（図２６参照）。

ＶＭＣＵ３００は、デッドレコニングを絶対座標系で行うので、まず、ＡＤＣＵ２００から取得した車両座標系での目標軌道点の情報（ｘ^ve _tg,t_n-d，ｙ^ve _tg,t_n-d，θ^ve _tg,t_n-d）を、数式７にしたがって絶対座標系の情報（ｘ^wo _tg,t_n-d，ｙ^wo _tg,t_n-d，θ^wo _tg,t_n-d）に変換する。

ここで、数式８を用いれば、数式９から数式１０が求まる。

また、数式１１を用いれば、数式１２から数式１３が求まる。

したがって、数式１０及び数式１３から、取得した目標軌道点は、数式１４の変換を行って車両座標系の目標軌道点となる。

数式１４の変換に必要な情報は、Δｘ^wo _tg,t_n-d→t_n、Δｙ^wo _tg,t_n-d→t_n、Δθ_w→v,t_n-dであり、ＶＭＣＵ３００は、時刻ｔ_n-dから時刻ｔ_nまでの自車位置の移動量、及び、時刻ｔ_n-dでの自車のヨー角度を記憶しておく必要があり、時刻ｔ_n-dから時刻ｔ_nまでの自車位置の移動量の履歴を保存するバッファを有する。

ＶＭＣＵ３００の位置変化予測部３５０及び軌道補正部３６０は、前述のようにして、ＡＤＣＵ２００から取得した目標軌道点を、デッドレコニングに基づき現在の自車位置を基準とした目標軌道点に変換する処理を実施する。
上記の変換処理によって、目標軌道点の情報の遅れが補償され、更に、ＶＭＣＵ３００の先読み補償部３３０は、アクチュエータの指令に対する応答遅れを補償する。

先読み補償部３３０は、前述したように、計算開始時ｔ₀における車両座標系を基準座標系とし、その後の車両挙動を車両モデル３２０にしたがって所定時間ＰＰＴ分（つまり、タスク周期ｎ回分）シミュレーションを繰り返し、ｎ回だけシミュレーションを繰り返したときの運動指令をアクチュエータ制御部３４０に出力してアクチュエータ制御を行わせる。
ここで、目標軌道点の情報についての遅れは補償済みであるから、先読み補償部３３０は、現時点からアクチュエータの応答遅れ時間だけ先の時点での運動指令値を予測する。

つまり、先読み補償部３３０は、アクチュエータの応答遅れ時間に相当する回数ｎだけシミュレーションを繰り返し、ｎ回目で取得した運動指令をアクチュエータ制御部３４０に出力してアクチュエータ制御を行わせる。
したがって、図１６に示した車両制御システムによると、目標軌道点の情報の遅れと、アクチュエータの応答遅れとの双方を補償でき、目標軌道に対する走行軌道の遅れを改善できる。

上記実施形態で説明した各技術的思想は、矛盾が生じない限りにおいて、適宜組み合わせて使用することができる。
また、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。

例えば、目標軌道に対する実際の走行軌道の誤差、つまり、左右方向の偏差に基づき、先読み補償部３３０における所定時間ＰＰＴを変更することができる。
また、車速が閾値以下であるときに先読み補償部３３０による予測を停止させて、現在の指令をアクチュエータに出力し、車速が閾値を超えるときに先読み補償部３３０による予測を実施させて、所定時間ＰＰＴ後に計算すると予測した指令をアクチュエータに出力することができる。

また、上記実施形態の車両制御システムは、ＡＤＣＵ２００とＶＭＣＵ３００とを個別に有し、目標軌道点を求めるマイクロコンピュータと、目標軌道に基づき運動指令を求めてアクチュエータに出力するマイクロコンピュータとを別としたが、１つのマイクロコンピュータが、目標軌道点の計算と、目標軌道に基づく運動指令の計算とを双方を実施するシステムであってもよい。

ここで、上述した実施形態から把握し得る技術的思想について、以下に記載する。
車両制御装置は、その一態様として、車両が走行すべき軌道である目標軌道に関する信号を取得し、前記車両の走行状態に関する信号を取得し、前記目標軌道に関する信号と前記走行状態に関する信号とを予測モデルに入力して、前記目標軌道に関する信号と前記走行状態に関する信号とに基づく運動指令を前記車両の運動を制御するアクチュエータに与えたときの前記走行状態を予測し、予測した前記走行状態を前記予測モデルに入力して前記走行状態を予測することを所定回数繰り返し、前記所定回数目で予測した前記運動指令を前記アクチュエータに出力する。

１００…車両制御システム、２００…自動運転コントロールユニット（ＡＤＣＵ）、２１０…認識処理部、２２０…軌道計画部、３００…車両運動コントロールユニット（ＶＭＣＵ）、３１０…車両運動制御部、３２０…車両モデル、３３０…先読み補償部、４００…エンジン、５００…油圧式ブレーキ装置、６００…パワーステアリング装置

Claims (10)

1. 車両が走行すべき軌道である目標軌道に関する信号を取得し、
   前記車両の位置に関する信号を取得し、
   前記目標軌道に関する信号と前記車両の位置に関する信号とに基づき、前記車両の位置と前記目標軌道との偏差を減らす運動指令を前記車両に与えたときの前記車両の挙動を予測して、現時点からサンプリング周期後における前記車両の位置を予測する処理を実施し、
   前回処理で予測した前記車両の位置と、前記目標軌道との偏差を減らす運動指令を前記車両に与えたときの前記車両の挙動を予測して、前記サンプリング周期後における前記車両の位置を予測する処理を繰り返すことで、現時点から前記車両の運動制御における遅れ要素に応じた所定時間後における運動指令を予測し、
   予測した前記所定時間後における運動指令を前記車両の運動を制御するアクチュエータへ出力する、
   車両制御装置。
2. 請求項１に記載の車両制御装置であって、
   前記遅れ要素は、前記アクチュエータの応答遅れを含む、
   車両制御装置。
3. 請求項２に記載の車両制御装置であって、
   前記遅れ要素は、前記目標軌道に関する信号の遅れを更に含む、
   車両制御装置。
4. 請求項３に記載の車両制御装置であって、
   前記所定時間は、前記アクチュエータの応答遅れ時間から前記目標軌道に関する信号の遅れ時間を減算した時間である、
   車両制御装置。
5. 請求項４に記載の車両制御装置であって、
   前記目標軌道に関する信号の遅れ時間は、前記目標軌道に関する複数の信号のうちで最も遅れが大きい信号の遅れ時間である、
   車両制御装置。
6. 請求項３に記載の車両制御装置であって、
   前記目標軌道に関する信号の遅れ時間が前記アクチュエータの応答遅れ時間以上であるとき、前記所定時間後を現在とする、
   車両制御装置。
7. 請求項２に記載の車両制御装置であって、
   前記アクチュエータは、前記車両の操舵装置である、
   車両制御装置。
8. 請求項１に記載の車両制御装置であって、
   前記遅れ要素は、前記目標軌道に関する信号の遅れを含む、
   車両制御装置。
9. 車両に搭載された車両制御装置が実行する車両制御方法であって、
   車両が走行すべき軌道である目標軌道に関する信号を取得し、
   前記車両の位置に関する信号を取得し、
   前記目標軌道に関する信号と前記車両の位置に関する信号とに基づき、前記車両の位置と前記目標軌道との偏差を減らす運動指令を前記車両に与えたときの前記車両の挙動を予測して、現時点からサンプリング周期後における前記車両の位置を予測する処理を実施し、
   前回処理で予測した前記車両の位置と、前記目標軌道との偏差を減らす運動指令を前記車両に与えたときの前記車両の挙動を予測して、前記サンプリング周期後における前記車両の位置を予測する処理を繰り返すことで、現時点から前記車両の運動制御における遅れ要素に応じた所定時間後における運動指令を予測し、
   予測した前記所定時間後における運動指令を前記車両の運動を制御するアクチュエータへ出力する、
   車両制御方法。
10. 車両が走行すべき軌道である目標軌道を求める第１コントローラと、
    第２コントローラであって、
    前記第１コントローラから出力された前記目標軌道に関する信号を取得し、
    前記車両の位置に関する信号を取得し、
    前記目標軌道に関する信号と前記車両の位置に関する信号とに基づき、前記車両の位置と前記目標軌道との偏差を減らす運動指令を前記車両に与えたときの前記車両の挙動を予測して、現時点からサンプリング周期後における前記車両の位置を予測する処理を実施し、
    前回処理で予測した前記車両の位置と、前記目標軌道との偏差を減らす運動指令を前記車両に与えたときの前記車両の挙動を予測して、前記サンプリング周期後における前記車両の位置を予測する処理を繰り返すことで、現時点から前記車両の運動制御における遅れ要素に応じた所定時間後における運動指令を予測し、
    予測した前記所定時間後における運動指令を前記車両の運動を制御するアクチュエータへ出力する、
    前記第２コントローラと、
    を備える車両制御システム。

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