JP7317184B1 - 連節車両の自動運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】連節バス及び単車バスが共用運行されるバス高速輸送システムのための、連節バス及び単車バスが共用可能運行経路の設定と自動運転連節バスの制御方法の必要に応える。【解決手段】単車・連節車両を問わず最後軸の軌跡を経路とする経路設定をして、車両諸元寸法が異なる単車・連節車両が辿ることができる様にする。その経路曲率から操舵角を算出する式、即ち軸距と連節点位置をパラメータとする幾何寸法とそのスタビリティファクタで構成する制御式を備える。後車両が前車両を押して前進するその押付力（駆動力）によって生じる連節角の変動を抑制しつつ経路を辿るあて舵を加える制御法を備える。【選択図】図３

Description

本発明は計画された経路を運行するバス高速輸送システム（Bus Rapid Transit, BRT）などに供される自動運転連節車両（Articulated Vehicle）の制御に関する。

専用道路を走行するバスによって、鉄道並みの大量輸送を可能にするシステムをバス高速輸送（ＢＲＴ）システムと称する。鉄道車両は、複数の車両が連結して同じ軌道レールの上を人の操舵を必要とせず走る。
バス高速輸送システムは、連節バス或いは単車バスが、レールのない路面を“人が運転操舵”して走る。本発明はその“人の運転”を“自動運転”にするシステムである。

尚、ここで言う連節バスは、前側車両と後側車両の間に関節機構を有する二両編成のバスであり、エンジン（ガソリン・ディーゼル・水素エンジン、ハイブリッドエンジン、電動モータなどの動力源を総称）を搭載する後側車両が、エンジンを搭載しない前側車両を押して前進する。後から押されるため増加傾向になる連節角を抑制しての進路制御が必要になる。その点、前車（トラクタ）が後車（トレーラ）を引くため前後車両の相対角が減少傾向になる牽引車と異なる。

人の運転によってレールのない路面で、鉄道がレールの上を走る様に、バスが「同じ軌跡を描き」走行してきて、駅・バス停のプラットホーム・縁石に横づけして（接弦して・正着して）停車することは簡単ではない。
特に、後車両が前車両を押して前進する連節車両には、その押す力（駆動力）によって生じる連節角の増加を抑制しつつ経路を辿る運転技量、連節する前車両と同じ軌道を辿らない「後車両の軌道を見込み」ながら車線を辿り且つ正着する運転技量が求められる。

「同じ軌跡を描く」自動運転には、経路の曲率と操舵角の関係式が必要である。「後車両の軌道を見込む」自動運転には後車両と前車両の連節角と操舵角の関係式が必要である。

特許文献１は、その図１に単車の場合と連節車両の場合のバス停正着軌跡を図示して、単車及び連節車両いずれの場合にも「最後軸の軌跡が車両全体の動きの根幹になる」としているが、その図４に「後軸が描く軌跡を辿るハンドル角を算出する方法」を、単車のみを例に示し、連節車両については示していない。

特許文献２は、連節車両の前部に走行レーンの画像を取得するカメラを備え、走行レーンの画像から経路と推奨速度を読み取って、前車両の前輪の操舵及び速度制御を支援する運転支援システムと運転支援方法について示しているが、その走行レーンは「前車両の前輪が辿る経路」であり、特許文献１が述べる「単車及び連節車両いずれの場合にも最後軸の軌跡が車両全体の動きの根幹になる」ところを押さえていないので、この経路での運行は同じ仕様の連節車両の運行に限られる。仕様が異なる車両の運行はできない。

特許第５９８１０１０号公報 特許第６２４３０７９号公報

上述した従来技術にあっては、連節車両について、最後軸の軌跡が車両全体の動きの根幹になることを踏まえて後軸が描く軌跡の式、その軌跡を辿るハンドル角を算出する方法、及び連節角の変動を抑制しつつ経路を辿る方法を示していない。

本発明は、連節角の増幅を抑制する自動あて舵運転技術、最後軸の軌跡を基軸と踏まえて後軸が描く軌跡式を導出して車両諸元寸法が異なる単車・連節車両が辿ることができる軌跡式、及び、その軌跡を辿るハンドル角を算出する連節車両についての方法を示す。

上記課題を解消するため本発明は、単車・連節車両を問わず最後軸の軌跡を経路とする経路設定をして、車両諸元寸法が異なる単車・連節車両が辿ることができる様にする。その経路曲率から操舵角を算出する式、即ち軸距と連節点位置をパラメータとする幾何寸法とそのスタビリティファクタで構成する制御式を備える。

本発明は前側車両と後側車両が関節機構を介して編成され、エンジンを搭載する後側車両がエンジンを搭載しない前側車両を押す連節車両の自動運転方法であって、連節車両の後側車両の最後軸（最後軸の中心点）の軌道が単車の目標経路を辿るように目標経路の曲率から連節車両の前側車両と後側車両との連節角を算出し、この算出した連節角と実際の連節角との差を操舵角に換算し、換算した操舵舵角に応じたあて舵を加えるようにした。

本発明によれば、単車・連節車両共用経路でのバス高速輸送システムが成立し、その経路における連節車両の自動運転が可能になる。

鉄道の軌道と自動車の軌道の相違の説明図である。 単車と連節車両の最後軸の軌道が共通することの説明図である。 経路曲率から前車前輪実舵角を計算する式の説明図である。 「スタビリティファクタ」を実験取得して、それを「経路曲率から前車前輪実舵角を計算する式」に乗じて制御式を備える説明図である。 あて舵を加える制御法の説明図である。

本発明の実施の形態を図１から図５にもとづいて説明する。
図１に鉄道の軌道と自動車の軌道の相違を示す。図の左側に鉄道の軌道を示し、右側に自動車の軌道を示す。
鉄道が前軸の左右輪と後軸の左右輪が同じ轍を通る同轍軌道であるのに対して、自動車は前軸の旋回内輪と後軸の旋回内輪の轍に内輪差、前軸の旋回外輪と後軸の旋回外輪の轍に外輪差が生じ同じ轍を通らない。そのため、そこで自動車を自動運転制御するについて、前軸又は後軸いずれの軌道を基軸にするかの配慮が必要になる。

図２に、単車と連節車両の最後軸の軌道が共通することを示す。図の左側に単車の軌道を示し、右側に連節車両の軌道を示す。点線で示す単車の後車軸中心の軌跡と連節車両の後車両の後車軸中心の軌跡が共通していることが判る。このことから、バス高速輸送システム（BRT）の軌道は、最後車軸の軌跡で定める必要がある。

図３に、最後車軸の軌跡の経路曲率から前車前輪実舵角を算出する計算式を説明する。下段に、連節車両が、図の左から進路変更をして図の右へ進行する簡略図を示している。
進行する前方をx軸、側方をｙ軸とする軌道の原点（０点）から、進路変更距離Ｌ、進路変更巾Ｄの進路変更曲線を連節車両が辿るとする。この進路変更曲線が数式ないし座標と方位で示される。座標と方位から曲率算出ができる。その進路を最後軸中心が辿る。
最後軸の回転半径をR_2r、曲率をρ_2r、最後軸の回転半径の中心から連節点までの距離（連節点の回転半径）をR_ｃ、同様に前車の後軸の回転半径をR_1rそして、前車の前軸の回転半径をR_1fとすると、前車前輪実舵角は式（１）になる。この式（１）は、操舵機構を持たないR2軸とR1軸の交点を旋回中心とし、その交点に前車前輪の中心が一致する幾何式で、微速・低速域で成立する。

車両は、経路軌跡の曲率を、最後車軸の軌跡の経路曲率ρ2rと捉えるＧＰＳ等を装備する。その装備が、後車の後軸ではなくて、前車の後軸に装備されている場合には、合わせて連節角センサを備えて、R2r,Rc,R1rの換算を実施して、式（１）の右端の後車後軸の曲率半径で記述される式と等しい左端の前車後軸の回転半径の式を用いても良い。

図４に「スタビリティファクタ」を実験取得して、それを「経路曲率から前車前輪実舵角を計算する式」に乗じて制御式とすることを説明する。
図の左に定常円旋回する連節車両の簡単図を示す。前車前軸実舵角を保持して車速を徐々に上昇させると、微速・低速状態での旋回中心（Оvo）は、車速上昇に伴い（Оvup）点に移動する。後車両の重心点の車速ｖの上昇に伴うヨーレイトｒ、横すべり角βを計測して、図の右に示す横すべり角の車速依存特性(βv/βo)及び回転半径の車速依存特性(Rv/Ro)を実験取得する。(βv/βo)の車速ゼロからの変化勾配を単車の場合に順じ横すべり係数Ｋ_βО、(Rv/Ro)勾配を単車の場合に順じスタビリティファクタＫ_ｓｆとする。図３に示した式（１）に、車速上昇に伴う回転半径変化の変化式（1＋Ｋ_ｓｆｖ²）を乗じて式（２）を得て経路曲率ρ_2ｒに対応する前輪実舵角δの制御式を得る。

スタビリティファクタＫ_ｓｆは通常“正”の値が制御の安定のため望ましいが、連節車両の場合は、後車が前車を押して前進する方式であるため連節角が変化して“負”の値になることも想定される。その想定への備えについて図５に説明する。

図５に、あて舵を加える制御法を説明する。図の左から右へ流れるSimulinkを示す。
目標経路の曲率から、目標曲率相当の連節角を求める。実際の連節角を車両LANから取得するか、或いは、後車後車軸の車輪速度を前車後車軸の車輪速を除しての余割（cosec）から式（３）、式（４）により実連節角を算出して、目標連節角から実連節角を引算して、その引算値をSwitch Blockを通して、目標値に対する実際値の過不足を判定して、その連節角の過不足を式（５）により操舵角の過不足値に変換して、その過不足値をPIDコントローラによって調整して操舵角制御量に加えることによって、あて舵をする。

即ち、“後車後軸と連節点との角度”と “前車後軸と連節点との角度”の和が“連節角δ12”になる。この関係に、前車後軸の旋回半径と前車ホィールベースと実舵角の関係式（４）を加えると式（３）が成立し、式（３）は式（５）に変換できる。

以上述べた様に、本発明は、単車・連節車両を問わず最後軸の軌跡を経路とする経路設定をし、車両諸元寸法が異なる単車・連節車両が辿ることができる様にして、その経路曲率から操舵角を算出する式、即ち軸距と連節点位置をパラメータとする幾何寸法とそのスタビリティファクタで構成する制御式を備え且つ後車両が前車両を押して前進するその押す力（駆動力）によって生じる連節角の変動を抑制しつつ経路を辿るあて舵を加える制御法を備える。レールのない路面を“人の運転”に依らず自動運転するバス高速輸送システムに運用される自動運転連節車両およびその制御方法を実現する。

Claims (4)

1. 前側車両と後側車両が関節機構を介して編成され、エンジンを搭載する後側車両がエンジンを搭載しない前側車両を押す連節車両によって実行される自動運転方法であって、前記連節車両の後側車両の最後車軸の中心点の軌道が予め決められた単車（単一車両）と共通する目標経路を辿るように目標経路の曲率から連節車両の前側車両と後側車両との連節角を算出し、この算出した連節角と実際の連節角との差を操舵角に換算し、換算した操舵角に応じたあて舵を前側車両の前輪操舵軸に加えることを特徴とする連節車両によって実行される自動運転方法。
2. 請求項１に記載の連節車両によって実行される自動運転方法において、後側車両の最後車軸の軌跡の経路曲率から前側車両の前輪操舵角を以下の計算式（１）を用いて算出することを特徴とする連節車両によって実行される自動運転方法。
   

   
3. 請求項２に記載の連節車両によって実行される自動運転方法において、「スタビリティファクタ」を実験取得して、それを前記計算式（１）に乗じて以下の計算式（２）とする連節車両によって実行される自動運転方法。
   

   
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の連節車両によって実行される自動運転方法において、前記実際の連節角は後側車両の最後車軸の車輪速度を前側車両の後車軸の車輪速を除しての余割（cosec）から計算式（３）、計算式（４）により算出して、目標経路を辿る際の連節角から実連節角を引算して、目標経路を辿る際の連節角に対する実際の連節角の過不足を判定して、その連節角の過不足を計算式（５）により操舵角の過不足値に変換して、その過不足値をＰＩＤコントローラによって調整して操舵角制御量に加えることによって、あて舵をする連節車両によって実行される自動運転方法。
   

   

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