JP7338351B2 - 追従経路生成装置、方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、車両の自動運転において目標経路に対する追従経路を生成する追従経路生成装置、方法及びプログラムに関する。

従来、車両の自動運転において、目標経路となる広域的なグローバルパスに対して、追従経路となる局所的なローカルパスを生成することが行われている。ローカルパスの生成においては、ローカルパスを決定するための評価関数が用いられる。評価関数では、グローバルパスに対するローカルパスの各種誤差及びそれらの重み係数が用いられる。そして、評価関数の各種誤差の重み付けを変更することで、ローカルパスの決定に際して重視すべき評価項目を変更することが可能である。

国際公開第２０１６／１８９６４９号

ローカルパスを決定するための評価関数の各種誤差の重み係数として、車両走行中に一定に固定された静的な重み係数が用いられている。ここで、ローカルパスの決定に際して重視すべき評価項目については、車両走行中に自車両の車両状態に応じて変化するものである。このため、静的な重み係数を用いる場合には、適切なローカルパスを生成することが困難となる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、適切な追従経路を生成することが可能な追従経路生成装置、方法及びプログラムを提供することにある。

本発明は上記課題を解決するために以下の技術的手段を採用する。特許請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施の形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本発明の第１実施態様は、車両走行中において、自車両（Ｑ）の車両状態に基づいて、目標経路（Ｐ_Ｇ）に対する追従経路（Ｐ_Ｌ）の誤差及び当該誤差の重み係数から形成され前記追従経路を決定するための評価関数において前記重み係数を変更する重み変更部（４２）と、前記重み変更部により変更された前記重み係数から形成される前記評価関数に基づいて前記追従経路を決定する経路決定部（４０）と、を具備する追従経路生成装置である。

本発明の第２実施態様は、車両走行中において、自車両の車両状態に基づいて、目標経路に対する追従経路の誤差及び当該誤差の重み係数から形成され前記追従経路を決定するための評価関数において前記重み係数を変更する重み変更ステップと、前記重み変更ステップにより変更された前記重み係数から形成される前記評価関数に基づいて前記追従経路を決定する経路決定ステップと、を具備する追従経路生成方法である。

本発明の第３実施態様は、コンピュータに、車両走行中において、自車両の車両状態に基づいて、目標経路に対する追従経路の誤差及び当該誤差の重み係数から形成され前記追従経路を決定するための評価関数において前記重み係数を変更する重み変更機能と、前記重み変更機能により変更された前記重み係数から形成される前記評価関数に基づいて前記追従経路を決定する経路決定機能と、を実現させる追従経路生成プログラムである。

本発明では、適切な追従経路を生成することが可能となっている。

本発明の一実施形態の自動運転システムを示すブロック図。 本発明の一実施形態の自動運転方法を示すフロー図。 従来技術の高追従性かつ低安定性のローカルパスを示す模式図。 従来技術の低追従性かつ高安定性のローカルパスを示す模式図。 本発明の一実施形態のローカルパスを示す模式図。 本発明の一実施形態のローカルパス生成に用いる各種変数を示す模式図。 本発明の一実施形態の評価関数の最適解を示すグラフ図。

以下、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態については、ローカルパスを決定するための評価関数において、グローバルパスに対するローカルパスの追従性を示す追従性誤差としての位置誤差及びその重み係数と、安定性を示す安定性誤差としての姿勢誤差及びその重み係数とを用い、車両走行中に、グローバルパスに対する自車両の追従度としての位置誤差の増減に応じて、評価関数において、位置誤差の重み係数を減増してローカルパスの追従性を減増すると共に、姿勢誤差の重み係数を増減して安定性を増減するようにしたものである。

図１乃至図７を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１を参照して、本実施形態の自動運転システムについて説明する。
自動運転システムについては、インフラ側システム１０及び車両側システム２０により形成されている。

インフラ側システム１０では、広域情報取得部１２は、地図情報、障害物情報等の広域情報を取得する。グローバルパス生成部１４は、広域情報取得部１２で取得された広域情報に基づいて、目標経路となる広域的なグローバルパスを生成する。例えば、バレー駐車では、駐車場情報、駐車車両情報等を取得して、駐車場入口から駐車位置までの経路を生成する。

車両側システム２０では、周辺情報検知部２２は、ＧＰＳ情報、レーダ情報、カメラ情報等の自車両周辺の周辺情報を検知する。また、車両情報検知部２４は、自車両の速度、加速度、ヨーレート等の車両情報を検知する。そして、車両状態推定部２６は、インフラ側システム１０の広域情報取得部１２で取得された広域情報と、車両側システム２０の周辺情報検知部２２で検知された周辺情報及び車両情報検知部２４で検知された車両情報とに基づいて、自車両の位置、姿勢、速度等の車両状態を推定する。ローカルパス生成部２８は、インフラ側システム１０のグローバルパス生成部１４により生成されたグローバルパスと、車両側システム２０の車両状態推定部２６により推定された自車両の車両状態とから、グローバルパスに対する追従経路となる局所的なローカルパスを生成する。そして、制御量算出部３０は、ローカルパス生成部２８により生成されたローカルパスと、車両状態推定部２６で推定された自車両の車両状態とに基づいて、自車両の操舵角、加速度等の制御量を算出する。車両制御部３２は、制御量算出部３０で算出された制御量に基づいて車両を制御する。

図１を参照して、ローカルパス生成部２８について詳細に説明する。
ローカルパス生成部２８では、ローカルパスを決定するための評価関数を用いる。評価関数では、グローバルパスに対するローカルパスの各種誤差及びそれらの重み係数を用いる。評価関数の各種誤差の重み付けを変更することで、ローカルパスを決定するに際して重視すべき評価項目を変更することが可能である。

ローカルパス生成部２８は、パス決定部４０及び重み変更部４２から形成されている。パス決定部４０は、グローバルパス生成部１４で生成されたグローバルパスと、車両状態推定部２６で推定された自車両の車両状態とを用い、評価関数に基づいてローカルパスを決定する。重み変更部４２は、車両走行中に、車両状態推定部２６で推定された自車両の車両状態に基づいて、評価関数の各種誤差の重み係数を変更する。即ち、評価関数の重み係数として、車両走行中に自車両の車両状態に応じて変更される動的な重み係数が用いられている。

本実施形態では、グローバルパスに対するローカルパスの各種誤差として、グローバルパスに対するローカルパスの追従性を示す追従性誤差と、安定性を示す安定性誤差とを用いる。具体的には、追従性誤差及び安定性誤差として、夫々、グローバルパスに対するローカルパスの位置誤差及び姿勢誤差を用いる。評価関数において、位置誤差の重み係数を増大又は姿勢誤差の重み係数を減少させることで、追従性の高いローカルパスを生成することが可能である。また、位置誤差の重み係数を減少又は姿勢誤差の重み係数を増大させることで、安定性の高いローカルパスを生成することが可能である。

評価関数の各種誤差の重み係数を変更するための自車両の車両状態として、グローバルパスに対する自車両の追従度を用いる。具体的には、追従度として、グローバルパスに対する自車両の位置誤差を用いる。そして、グローバルパスに対する自車両の位置誤差の増減に応じて、評価関数において、グローバルパスに対するローカルパスの位置誤差の重み係数を減増又は姿勢誤差の重み係数を増減させる。即ち、グローバルパスに対する自車両の追従度が低く、位置誤差が大きくなっている場合には、評価関数において、グローバルパスに対するローカルパスの位置誤差の重み係数を増大又は姿勢誤差の重み係数を減少させて、追従性の高いローカルパスを生成する。一方、グローバルパスに対する自車両の追従度が高く、位置誤差が小さくなっている場合には、評価関数において、グローバルパスに対するローカルパスの位置誤差の重み係数を減少又は姿勢誤差の重み係数を増大させて、安定性の高いローカルパスを生成する。

図２を参照して、本実施形態の自動運転方法について説明する。
開始ステップ
車両の走行を開始する。

グローバルパス生成ステップＳ１１
グローバルパス生成ステップＳ１１では、広域情報に基づいてグローバルパスを生成する。

車両状態推定ステップＳ１２
車両状態推定ステップＳ１２では、広域情報、自車両周辺の周辺情報、及び、自車両の車両情報に基づいて、自車両の車両状態を推定する。

重み変更ステップＳ１３
重み変更ステップＳ１３では、車両状態推定ステップＳ１２で推定された車両状態に基づいて、ローカルパスを決定するための評価関数において各種誤差の重み係数を変更する。

本実施形態では、車両状態として、グローバルパスに対する自車両の追従度としての位置誤差を用い、評価関数の各種誤差の重み係数として、グローバルパスに対するローカルパスの追従性を示す追従性誤差としての位置誤差、及び、安定性を示す安定性誤差としての姿勢誤差を用いる。そして、グローバルパスに対する自車両の位置誤差の増減に応じて、評価関数において、グローバルパスに対するローカルパスの位置誤差の重み係数を減増又は姿勢誤差の重み係数を増減する。

ローカルパス決定ステップＳ１４
ローカルパス決定ステップＳ１４では、グローバルパス生成ステップＳ１１で生成されたグローバルパスと、車両状態推定ステップＳ１２で推定された車両状態とを用い、重み変更ステップで重み係数が変更された評価関数に基づいて、ローカルパスを決定する。

制御量算出ステップＳ１５
制御量算出ステップＳ１５では、ローカルパス決定ステップＳ１４で決定されたローカルパスと、車両状態推定ステップで推定された車両状態Ｓ１２とに基づいて、自車両の制御量を算出する。

到達判断ステップＳ１６
到達判断ステップＳ１６では、自車両が目標地点に到達したか否か判断する。目標地点に到達したと判断された場合には、終了ステップに進行し、到達していないと判断された場合には、繰返しステップに進行する。

繰返しステップＳ１７
繰返しステップＳ１７では、ローカルパスの更新周期毎に、上記車両状態推定ステップＳ１２、重み変更ステップＳ１３、ローカルパス決定ステップＳ１４、制御量算出ステップＳ１５、到達判断ステップＳ１６を順次繰り返す。

終了ステップ
車両の走行を終了する。

図３乃至図５を参照して、評価関数に基づき生成されるローカルパスについて説明する。
図３及び図４を参照して、評価関数の重み係数として、車両走行中に一定に固定された静的な重み係数を用いる場合について説明する。

図３（ａ）及び（ｂ）については、評価関数において、追従性誤差としての位置誤差の重み係数が大きく、安定性誤差としての姿勢誤差の重み係数が小さいため、追従性が高く安定性が低いローカルパスＰ_Ｌが生成される場合を示す。

ローカルパスＰ_Ｌの追従性が高く安定性が低いため、図３（ａ）に示されるように、グローバルパスＰ_Ｇに対する自車両Ｑの追従度が小さく、位置誤差が大きい場合については、グローバルパスＰ_Ｇに対して自車両Ｑを素早く追従させることが可能であるものの、自車両ＱがグローバルパスＰ_Ｇを超過してふらつくオーバーシュートが発生してしまう。

また、図３（ｂ）に示されるように、グローバルパスＰ_Ｇに対する自車両Ｑの追従度が大きく、位置誤差が小さい場合については、自己位置推定の誤差により、推定される自車両Ｑの位置がグローバルパスＰ_Ｇの付近でばらつくと、当該ばらついた誤った自己位置に基づいてローカルパスＰ_Ｌが生成されるため、グローバルパスＰ_Ｇ付近で自車両Ｑがふらついてしまう。

一方、図４については、評価関数において、追従性誤差としての位置誤差の重み係数が小さく、安定性誤差としての姿勢誤差の重み係数が大きいため、追従性が低く安定性が高いローカルパスＰ_Ｌが生成される場合を示す。

ローカルパスＰ_Ｌの追従性が低く安定性が高いため、図４に示されるように、オーバーシュートや自己位置推定の誤差によるふらつきを防止することは可能であるものの、グローバルパスＰ_Ｇに対する自車両Ｑの追従度が小さく、位置誤差が大きい場合については、グローバルパスＰ_Ｇに対して自車両Ｑを素早く追従させることが困難となる。

図５を参照して、評価関数の重み係数として、車両走行中に自車両Ｑの車両状態に応じて変更される動的な重み係数を用いる場合について説明する。

本実施形態では、図５に示されるように、グローバルパスＰ_Ｇに対する自車両Ｑの追従度が小さく、位置誤差が大きい場合には、追従性誤差としての位置誤差の重み係数を増大させ、安定性誤差としての姿勢誤差の重み係数を減少させて、追従性が高いローカルパスＰ_Ｌ１を生成することにより、グローバルパスＰ_Ｇに対して自車両Ｑを素早く追従させる。続いて、グローバルパスＰ_Ｇに対する自車両Ｑの追従度が大きくなり、位置誤差が小さくなった場合には、評価関数において、追従性誤差としての位置誤差の重み係数を減少させ、安定性誤差としての姿勢誤差の重み係数を増大させて、安定性が高いローカルパスＰ_Ｌ２を生成することにより、オーバーシュートや自己位置推定の誤差によるふらつきを発生させることなく、グローバルパスＰ_Ｇに対して自車両Ｑを追従させる。

続いて、本実施形態のローカルパス生成の具体例について説明する。
本実施形態のローカルパス生成では、アッカーマンステアリングジオメトリ等の所定の車両運動モデルを用い、車両状態を離散系の状態方程式で表す。そして、図６（ａ）に示されるように、ローカルパスＰ_Ｌを現在地点から一定の経路長ｄでＮ個に分割して、各分割点をａ_ｎとし、各分割点ａ_ｎにおける自車両のステアリングの操舵角をδ_ｎとする。隣接する両分割点ａ_ｎ及びａ_ｎ＋１間での操舵角δ_ｘについては線形補完により求められる。車両状態の状態方程式に操舵角δを代入して、状態方程式を更新していくことにより、ローカルパスＰ_Ｌを形成することが可能である。

ローカルパスＰ_Ｌを決定するための評価関数ｆでは、グローバルパスＰ_Ｇに対するローカルパスＰ_Ｌの位置誤差及びその重み係数、並びに、姿勢誤差及びその重み係数を用いる。位置誤差について、図６（ｂ）に示されるように、ローカルパスＰ_Ｌの各分割点ａ_ｎからのグローバルパスＰ_Ｇにおける最近傍点をｂ_ｎとし、各分割点ａ_ｎと対応する各最近傍点ｂ_ｎとの間の距離をｑ_ｎとする。そして、位置誤差として各距離ｑ_ｎの二乗和Σｑ_ｎ ^２を用い、位置誤差の重み係数をｗ_ｑとする。また、姿勢誤差について、図６（ｃ）に示されるように、ローカルパスＰ_Ｌにおける隣接する一方の分割点ａ_ｎから他方の分割点ａ_ｎ＋１までのベクトルをα_ｎとし、グローバルパスの隣接する一方の最近傍点ｂ_ｎから他方の最近傍点ｂ_ｎ＋１までのベクトルをβ_ｎとし、当該両ベクトルα_ｎ及びβ_ｎのなす角度をθ_ｎとする。そして、姿勢誤差として各角度θ_ｎの二乗和Σθ_ｎ ^２を用い、姿勢誤差の重み係数をｗ_θとする。以上から、評価関数ｆについては、以下の式（１）により表される。

ローカルパスＰ_Ｌを適切に決定するために、評価関数ｆの最適解を算出する際には、拘束条件を導入する。即ち、ステアリングの操舵角δ_ｎの上限値をδ_ｍａｘ、下限値をδ_ｍｉｎとする。さらに、ローカルパスの滑らかさを確保して急ハンドルを防止するために、操舵角δ_ｎの変化量をΔδ_ｎとして、当該変化量Δδ_ｎの二乗和ΣΔδ_ｎ ^２の上限をΔδ_ｍａｘとする。加えて、操舵角δ_ｎの変化量Δδ_ｎの変化量をΔΔδ_ｎとして、当該変化量ΔΔδ_ｎの二乗和ΣΔΔδ_ｎ ^２の上限をΔΔδ_ｍａｘとする。以上から、拘束条件については、以下の式（２）乃至（４）により表される。

グローバルパスＰ_Ｇに対する車両の位置誤差として、自車両の現在地点ａ_０とグローバルパスＰ_Ｇにおける対応する最近傍点ｂ_０との間の距離ｑ_０を用いる。そして、グローバルパスＰ_Ｇに対する車両の位置誤差ｑ_０の増減に応じて、評価関数ｆにおいて、位置誤差の重み係数ｗ_ｑが増減されると共に、姿勢誤差の重み係数ｗ_θが減増されるようにする。本実施形態では、以下の式（５）及び（６）に示されるように、グローバルパスＰ_Ｇに対する車両の位置誤差ｑ_０の増減に応じて、評価関数ｆにおいて、位置誤差の重み係数ｗ_ｑ及び姿勢誤差の重み係数ｗ_θが夫々線形に増減及び減増されるようにする。ここで、σ_ｑ、σ_θ及びｑ_θは、所定の定数である。

ローカルパスＰ_Ｌを決定する際には、式（５）及び（６）に従い、グローバルパスＰ_Ｇに対する車両の位置誤差ｑ_０に基づいて、評価関数ｆの位置誤差の重み係数ｗ_ｑ及び姿勢誤差の重み係数ｗ_θを変更する。続いて、式（２）乃至（４）の拘束条件のもと、式（１）の評価関数を最小化する操舵角δ_ｎの最適解を算出する。最適解の算出方法としては、逐次二次計画法等、制約付き非線形最適化問題の解法が用いられる。

図７に、ローカルパスＰ_Ｌの分割数をＮ＝２とした場合について、ステアリングの操舵角δ_１及びδ_２に対する評価関数ｆの値、並びに、操舵角δ_１及びδ_２の最適解を示す。図７に示されるように、（ｉ）グローバルパスＰ_Ｇに対する車両の位置誤差ｑ_０が大きい場合には、評価関数ｆの位置誤差の重み係数ｗ_ｑが増大され、姿勢誤差の重み係数ｗ_θが減少されて、操舵角δ_１及びδ_２の最適解として、追従性を重視した最適解（δ_１ｑ，δ_２ｑ）が得られる。一方、（ｉｉ）グローバルパスＰ_Ｇに対する車両の位置誤差ｑ_０が小さい場合には、評価関数ｆの位置誤差の重み係数ｗ_ｑが減少され、姿勢誤差の重み係数ｗ_θが増大されて、操舵角δ_１及びδ_２の最適解として、安定性を重視した最適解（δ_１θ，δ_２θ）が得られる。

なお、以上述べた式（１）の評価関数、式（２）乃至（４）の拘束条件、並びに、式（５）及び（６）の重み係数の変更方法については、その他の様々な変形例を用いることも可能である。

本実施形態の自動運転システム及び方法については、以下の効果を奏する。
本実施形態の自動運転システム及び方法では、ローカルパスを決定するための評価関数の各種誤差の重み係数として、車両走行中に自車両の車両状態に応じて変更される動的な重み係数を用いている。このため、ローカルパスの決定に際して重視すべき評価項目について、車両走行中に自車両の車両状態に応じて変化させることができ、適切なローカルパスを生成することが可能となっている。

特に、グローバルパスに対する自車両の追従度の増減即ち位置誤差の減増に応じて、評価関数の追従性誤差としての位置誤差の重み係数を減増させ、安定性誤差としての姿勢誤差の重み係数を増減させるようにしている。このため、グローバルパスに対する自車両の追従度が小さく、位置誤差が大きい場合には、追従性が高いローカルパスが生成され、グローバルパスに対して自車両を素早く追従させることが可能となる。続いて、グローバルパスに対する自車両の追従度が大きくなり、位置誤差が小さくなった場合には、安定性が高いローカルパスが生成されるため、オーバーシュートや自己位置推定の誤差によるふらつきを発生させることなく、グローバルパスに対して自車両を追従させることが可能となる。このように、素早い追従と、オーバーシュートや自己位置推定の誤差によるふらつきの防止とを同時に実現することが可能となっている。

なお、評価関数の各種誤差の重み係数の内、動的に変更する重み係数については目的とするローカルパスに応じて適宜選択可能であり、少なくとも１つの重み係数を変更することにより、適切なローカルパスを生成するという効果を得ることが可能である。本実施形態では、自車両の追従度即ち位置誤差に応じて、追従性誤差としての位置誤差の重み係数と安定性誤差としての姿勢誤差の重み係数との両方の重み係数を変更するようにしているが、いずれか一方の重み係数のみを変更するようにしてもよく、一方の重み係数のみを変更することでも上述した本実施形態の効果を得ることが可能である。

本発明については、様々な自動運転に適用可能であり、特に、例えばバレー駐車のような、目標経路に対する追従経路の誤差が比較的大きくなる自動運転に好適である。

また、以上の各実施形態では、自動運転システム及び方法について述べたが、コンピュータに当該システムの各機能を実現させるプログラム、又は、コンピュータに当該方法の各ステップを実行させるプログラムについても、本発明の範囲に含まれる。

１０…インフラ側システム ２０…車両側システム １２…広域情報取得部
１４…グローバルパス生成部 ２２…周辺情報検知部 ２４…車両情報検知部
２６…車両状態推定部 ２８…ローカルパス生成部 ３０…制御量算出部
３２…車両制御部 ４０…パス決定部 ４２…重み変更部 Ｑ…自車両
Ｐ_Ｇ…グローバルパス Ｐ_Ｌ…ローカルパス

Claims (6)

1. 目標経路（Ｐ_Ｇ）に対する追従経路（Ｐ_Ｌ）の誤差及び当該誤差の重み係数から形成され前記追従経路を決定するための評価関数において、車両走行中において前記目標経路に対する自車両（Ｑ）の追従度に応じて前記重み係数を動的に変更する重み変更部（４２）と、
   前記重み変更部により変更された前記重み係数から形成される前記評価関数に基づいて前記追従経路を決定する経路決定部（４０）と、
   を具備する追従経路生成装置。
2. 車両走行中において、自車両の車両状態に基づいて、目標経路に対する追従経路の誤差及び当該誤差の重み係数から形成され前記追従経路を決定するための評価関数において前記重み係数を変更する重み変更部と、
   前記重み変更部により変更された前記重み係数から形成される前記評価関数に基づいて前記追従経路を決定する経路決定部と、
   を具備し、
   前記車両状態は、前記目標経路に対する自車両の追従度を含み、
   前記誤差は、前記目標経路に対する前記追従経路の追従性を示す追従性誤差と、前記目標経路に対する前記追従経路の安定性を示す安定性誤差と、を含み、
   前記重み変更部は、前記追従度の増減に応じて前記追従性誤差の重み係数を減増及び／又は前記安定性誤差の重み係数を増減させる、
   追従経路生成装置。
3. 前記追従度は、前記目標経路に対する自車両の位置誤差を含み、
   前記追従性誤差は、前記目標経路に対する前記追従経路の位置誤差を含み、
   前記安定性誤差は、前記目標経路に対する前記追従経路の姿勢誤差を含む、
   請求項２に記載の追従経路生成装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の追従経路生成装置を具備する車両。
5. 重み変更部により、目標経路に対する追従経路の誤差及び当該誤差の重み係数から形成され前記追従経路を決定するための評価関数において、車両走行中において前記目標経路に対する自車両の追従度に応じて前記重み係数を動的に変更する重み変更ステップと、
   経路決定部により、前記重み変更ステップにより変更された前記重み係数から形成される前記評価関数に基づいて前記追従経路を決定する経路決定ステップと、
   を具備する追従経路生成方法。
6. コンピュータに、
   目標経路に対する追従経路の誤差及び当該誤差の重み係数から形成され前記追従経路を決定するための評価関数において、車両走行中において前記目標経路に対する自車両の追従度に応じて前記重み係数を動的に変更する重み変更機能と、
   前記重み変更機能により変更された前記重み係数から形成される前記評価関数に基づいて前記追従経路を決定する経路決定機能と、
   を実現させる追従経路生成プログラム。
   

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