JP7391293B2 - 車両制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両制御装置に係り、特に、運転者による車両の運転を支援する車両制御装置に関する。

車両の物理的運動を規定する車両モデルを用いてモデル予測制御により将来の予測走行経路を算出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の技術では、所定の予測期間（例えば、３秒間）が経過するまでの予測走行経路を算出し、この予測走行経路上を走行するように制御目標（目標舵角、目標加速度）が算出される。この場合、将来のより的確な制御目標を算出するには、より長い予測期間にわたって予測走行経路を算出すること望ましい。しかしながら、より長い予測期間についての予測走行経路の算出は、計算負荷が高くなるという問題がある。

一方、ロボット制御の分野において、モデル予測制御を用いる際に、予測期間における複数の予測点の間隔を変更する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２では、予測点の時間間隔を時間経過と共に増加させ、評価関数の重みを時間間隔の大きさに応じて線形的に増加させている。すなわち、予測点の時間間隔が、時間経過と共に徐々に大きくなるように設定され、遠位側の予測点の方が近位側の予測点よりも評価関数の重みが大きく設定されている。これにより、各予測点における影響度を均一にすることができる。

したがって、特許文献１及び２を参照して、予測点の間隔を時間経過と共に増加させて車両の予測走行経路を算出することにより、計算負荷の増加を抑制しつつ、より長い予測期間の予測走行経路を算出することができると考えられる。

特開２０１９－４３１９０号公報 特開２０１３－１３７６２８号公報

しかしながら、本発明者は、モデル予測制御を用いて車両の予測走行経路を算出する際に、単に予測点の間隔を時間経過と共に増加させると、運転者に違和感を与えるような車両挙動を生じる予測走行経路が算出される場合があることを見出した。図１２Ａ及び図１２Ｂは、特許文献１及び２を組み合せることにより、モデル予測制御を用いた予測走行経路の算出において、予測点の間隔を徐々に増加させた例を示している。

図１２Ａは、予測走行経路としての補正走行経路Ｒｃの算出過程において算出される候補走行経路Ｒｃｘを示しており、図１２Ｂは、複数の候補走行経路Ｒｃｘから選択された最適な候補走行経路である補正走行経路Ｒｃ（予測走行経路）を示している。図１２Ａ及び図１２Ｂの例は、例えば、車線中央から側方へずれた位置を走行する車両１が、車線中央へ向けて進路変更する状況である。進路変更後の目標走行経路Ｒ（一点鎖線）が図中に示されている。したがって、車両１は、この目標走行経路Ｒ上を最終的に走行するように、候補走行経路Ｒｃｘを最適化し、補正走行経路Ｒｃを算出する。なお、予測走行経路の算出のために用いられる評価関数において、遠位側の予測点Ｐｃの重みの方が、近位側の予測点Ｐｃの重みよりも大きく設定されている。

図１２Ａ及び図１２Ｂでは、候補走行経路Ｒｃｘ（及び補正走行経路Ｒｃ）は、１０点の予測点Ｐｃを有し、これら予測点Ｐｃの時間間隔は、時間経過と共に増加されている。各予測点Ｐｃ（ｋ）での制御目標（目標舵角、目標加速度）は、次の予測点Ｐｃ（ｋ＋１）まで維持される。よって、予測点間では、同じ目標舵角及び同じ目標加速度が維持された状態で車両１は走行することになる。

図１２Ａに示す候補走行経路Ｒｃｘでは、車両１の現在位置から近い区間ｚ１においては、急激な挙動変化が生じないように舵角が時間と共に徐々に増大され、車両１は徐々に目標走行経路Ｒに近づいていく。しかしながら、車両１の現在位置から遠い区間ｚ２においては予測点Ｐｃの間隔が大きいため、車両１は目標走行経路Ｒを通り越してしまい、次に逆方向の舵角操作により再び目標走行経路Ｒに近づくように制御目標が設定される。このような蛇行又は「ずれ」が、評価関数の重みが大きく設定された区間ｚ２において長時間繰り返されるので、図１２Ａに示す候補走行経路Ｒｃｘの評価関数による評価は低くなる。

これに対して、図１２Ｂに示す補正走行経路Ｒｃでは、車両１の現在位置から遠い区間ｚ４における目標走行経路Ｒからのずれが小さくなっているので、評価関数の評価が高くなる。しかしながら、補正走行経路Ｒｃでは、遠位側の区間ｚ４でのずれを小さくするため、目標走行経路Ｒに早期に収束させるべく、近位側の区間ｚ３において急操舵が要求される。すなわち、補正走行経路Ｒｃは、予測区間全体のうちの近位側の区間ｚ３において、急操舵によって評価関数の評価が低くなったとしても、予測区間全体として評価は高くなる。

ロボット制御の場合、図１２Ｂの補正走行経路Ｒｃのように急操作が行われても不都合は生じ難い。しかしながら、車両運転制御の場合、ロボット制御とは異なり、車両挙動が運転者に与える感覚（快適性等）を考慮する必要がある。すなわち、補正走行経路Ｒｃでは、近位側の区間ｚ３での急操舵に起因する車両挙動の大きな変化が運転者に違和感を与えるおそれがある。そして、運転者は、一般に遠方において走行位置の修正等が生じることが予想されても、現在の車両挙動を安定させることを重視して運転操作を行う。よって、図１２Ｂに示される補正走行経路Ｒｃは、運転者に違和感を与えるおそれが高い。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、車両に対して遠位の方が近位よりも予測点の間隔が大きく設定され、且つ、運転者に違和感を与えることのない予測走行経路を算出可能な車両制御装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明は、車両の運転を支援するための車両制御装置であって、車両制御装置は、車両の目標走行経路を算出する処理と、車両の挙動を推定する車両モデルを用いて、所定の制約条件下で目標走行経路に基づいて補正走行経路を算出すると共に、車両が補正走行経路を走行するための車両の制御目標値を算出する処理と、を所定の制御周期毎に繰り返し実行するように構成されており、車両制御装置は、補正走行経路を算出する際に、制約条件下において、補正走行経路を評価するための評価関数を用いて、目標走行経路に対する補正走行経路の差を最小化するように補正走行経路を算出し、補正走行経路は、所定の予測期間が経過するまでに車両が通過する複数の予測点を含み、評価関数は、各予測点の評価値を各予測点に対して設定された重み係数により重み付けした総和であり、複数の予測点のうち隣接する２つの予測点の時間間隔は、車両の近位から遠位に向けて増加するように設定されており、各予測点に対して設定された重み係数は、車両の近位側の予測点の重みよりも車両の遠位側の予測点の重みの方が小さくなるように設定されている。

このように構成された本発明によれば、車両の近位側の予測点の重みよりも車両の遠位側の予測点の重みの方が小さくなるように設定されているので、遠位側の予測点における評価値が低く見積もられる。よって、本発明では、隣接する２つの予測点の時間間隔が、車両の近位から遠位に向けて増加するように設定されているが、間隔が広く設定された遠位側の予測点でのずれが、近位側の予測点に与える影響を小さくすることができる。よって、本発明では、車両の近位側での走行安全性及び走行快適性を重視する運転者の運転特性に適合し、且つ運転者に違和感を与えることのない制御目標を算出することができる。

本発明において、好ましくは、各予測点の重みは、各予測点に対して設定された重み係数により、車両が各予測点へ到達するまでの所要時間の２乗に反比例するように設定されている。運転者と物標との距離がｎ倍に広がると、運転者から見て物標の移動速度は１／ｎになるので、運転者が感じる物標の運動エネルギー（すなわち、運転者が物標から受ける刺激量）は１／ｎ²になる。よって、本発明では、この特性に基づいて、評価関数の重み係数が設定されているので、運転者が周囲環境から受ける刺激量に適合した制御目標を算出することができる。

本発明において、好ましくは、各予測点の重みは、各予測点に対して設定された重み係数により、車両が各予測点へ到達するまでの所要時間の２乗に反比例する値の常用対数に比例するように設定されている。運転者と物標との距離がｎ倍に広がると、運転者から見て物標の移動速度は１／ｎになるので、運転者が物標から受ける刺激量は１／ｎ²になる。さらに、フェヒナーの法則によれば、人間に与える心理的な感覚量は、刺激量の常用対数に比例する。よって、本発明では、この特性に基づいて、評価関数の重み係数が設定されているので、運転者の感覚に適合した制御目標を算出することができる。

本発明において、好ましくは、評価関数は、各予測点について、補正走行経路を評価するための評価項と、補正走行経路が制約条件を違反すると評価値を低下させる制約項と、を含み、各予測点において、制約項の重み係数は、評価項の重み係数よりも重みが大きく設定されており、制約項の重み係数は、車両の近位側の予測点の重みよりも車両の遠位側の予測点の重みの方が小さくなるように設定されている。

このように構成された本発明によれば、制約条件に関する評価値を算出するための制約項を評価関数が含んでいる。このため、本発明では、無制約化された最適化問題を解くことによって補正走行経路を導き出すことができるため、計算の収束性を向上させることが可能である。また、本発明では、遠位側よりも近位側において制約項の重みが大きく設定されているので、遠位側で制約条件の違反を抑制するために、近位側で制約条件の違反が生じるような解が算出されることを防止可能である。

本発明において、好ましくは、車両制御装置は、車両の外部にある障害物を検知し、障害物と車両との間に、障害物に対する車両の相対速度の許容上限値の分布を規定する速度分布領域を設定し、この速度分布領域内における許容上限値は障害物から距離が離れるほど大きくなるように設定され、制約条件は、速度分布領域内において、障害物に対する車両の相対速度が許容上限値を超えないことを含む。このように構成された本発明によれば、遠位側よりも近位側において制約項の重みが大きく設定されているので、車両の遠方の障害物よりも近くの障害物との位置関係の適正化を優先するという運転者の運転特性に適合するように、制御目標を算出することができる。

本発明の車両制御装置によれば、車両に対して遠位の方が近位よりも予測点の間隔が大きく設定され、且つ、運転者に違和感を与えることのない予測走行経路を算出することができる。

本発明の実施形態による車両制御装置の構成図である。 本発明の実施形態による車両制御装置の運転者操作部の詳細を示す図である。 本発明の実施形態による車両制御装置の制御ブロック図である。 本発明の実施形態による車両制御装置における制御目標算出処理の説明図である。 本発明の実施形態による車両制御装置における補正走行経路の説明図である。 本発明の実施形態による車両制御装置における車両モデルの説明図である。 本発明の実施形態による車両制御装置における目標走行経路の補正による障害物回避の説明図である。 本発明の実施形態による車両制御装置において障害物を回避する際の障害物と車両との間のすれ違い速度の許容上限値とクリアランスとの関係を示す説明図である。 本発明の実施形態による車両制御装置における運転支援制御の処理フローである。 本発明の実施形態による車両制御装置における予測点の設定経過時間と重み係数のグラフである。 本発明の実施形態による車両制御装置における補正走行経路の説明図である。 本発明の改変例に係る予測点の設定経過時間と重み係数のグラフである。 本発明の改変例に係る予測点の設定経過時間と重み係数のグラフである。 従来例に係る算出過程における候補走行経路の例である。 従来例に係る最適な候補走行経路の例である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による車両制御装置について説明する。
まず、図１及び図２を参照して、車両制御装置の構成について説明する。図１Ａは車両制御装置の構成図、図１Ｂは運転者操作部の詳細を示す図、図２は車両制御装置の制御ブロック図である。

本実施形態の車両制御装置１００は、これを搭載した車両１（図４等参照）に対して複数の運転支援モードにより、それぞれ異なる運転支援制御を提供するように構成されている。運転者は、複数の運転支援モードから所望の運転支援モードを選択可能である。

図１Ａに示すように、車両制御装置１００は、車両１に搭載されており、車両制御演算部（ＥＣＵ）１０と、複数のセンサ及びスイッチと、複数の制御システムと、運転支援モードについてのユーザ入力を行うための運転者操作部３５を備えている。複数のセンサ及びスイッチには、車載カメラ２１，ミリ波レーダ２２，車両の挙動を検出する複数の挙動センサ（車速センサ２３，加速度センサ２４，ヨーレートセンサ２５，舵角センサ２６，アクセルセンサ２７，ブレーキセンサ２８），測位システム２９，ナビゲーションシステム３０が含まれる。また、複数の制御システムには、エンジン制御システム３１，ブレーキ制御システム３２，ステアリング制御システム３３が含まれる。

図１Ｂに示すように、運転者操作部３５は、運転者が操作可能なように車両１の車室内に設けられており、複数の運転支援モードから所望の運転支援モードを選択するためのモード設定操作部として機能する。運転者操作部３５には、速度制限モードを設定するためのＩＳＡスイッチ３６ａと、先行車追従モードを設定するためのＴＪＡスイッチ３６ｂと、自動速度制御モードを設定するためのＡＣＣスイッチ３６ｃと、レーンキープ制御モードを設定するためのＬＡＳスイッチ３６ｄが設けられている。さらに、運転者操作部３５には、先行車追従モードにおける車間距離（実質的には、車間距離に代わる車間時間）を設定するための距離設定スイッチ３７ａと、自動速度制御モード等における車速を設定するための車速設定スイッチ３７ｂと、を備えている。

図１Ａに示すＥＣＵ１０は、プロセッサ，各種プログラムを記憶するメモリ，入出力装置等を備えたコンピュータにより構成される。ＥＣＵ１０は、運転者操作部３５から受け取った運転支援モード選択信号や設定車速信号、及び、複数のセンサ及びスイッチから受け取った信号に基づき、エンジン制御システム３１，ブレーキ制御システム３２，ステアリング制御システム３３に対して、それぞれエンジンシステム，ブレーキシステム，ステアリングシステムを適宜に作動させるための要求信号を出力可能に構成されている。

車載カメラ２１は、車両１の周囲を撮像し、撮像した画像データを出力する。ＥＣＵ１０は、画像データに基づいて対象物（例えば、車両、歩行者、道路、区画線（車線境界線、白線、黄線）、交通信号、交通標識、停止線、交差点、障害物等）を特定する。さらに、本実施形態においては、車載カメラ２１として、車両を運転中の運転者を撮像する車室内カメラも備えている。なお、ＥＣＵ１０は、交通インフラや車々間通信等によって、車載通信機器を介して外部から対象物の情報を取得してもよい。

ミリ波レーダ２２は、対象物（特に、先行車、駐車車両、歩行者、障害物等）の位置及び速度を測定する測定装置であり、車両１の前方へ向けて電波（送信波）を送信し、対象物により送信波が反射されて生じた反射波を受信する。そして、ミリ波レーダ２２は、送信波と受信波に基づいて、車両１と対象物との間の距離（例えば、車間距離）や車両１に対する対象物の相対速度を測定する。なお、本実施形態において、ミリ波レーダ２２に代えて、レーザレーダや超音波センサ等を用いて対象物との距離や相対速度を測定するように構成してもよい。また、複数のセンサを用いて、位置及び速度測定装置を構成してもよい。

車速センサ２３は、車両１の絶対速度を検出する。
加速度センサ２４は、車両１の加速度（前後方向の縦加速度、横方向の横加速度）を検出する。なお、加速度は、増速側（正）及び減速側（負）を含む。
ヨーレートセンサ２５は、車両１のヨーレートを検出する。
舵角センサ２６は、車両１のステアリングホイールの回転角度（舵角）を検出する。
アクセルセンサ２７は、アクセルペダルの踏み込み量を検出する。
ブレーキセンサ２８は、ブレーキペダルの踏み込み量を検出する。

測位システム２９は、全球測位衛星システム（ＧＮＳＳ）及び／又はジャイロシステムであり、車両１の位置（現在車両位置情報）を検出する。また、測位システム２９は、デッドレコニングや路車間通信（Ｗｉ－Ｆｉ等を用いる）による位置情報取得手段を含んでもよい。

ナビゲーションシステム３０は、内部に地図情報を格納しており、ＥＣＵ１０へ地図情報を提供することができる。ＥＣＵ１０は、地図情報及び現在車両位置情報に基づいて、車両１の周囲（特に、進行方向前方）に存在する道路、交差点、交通信号、建造物等を特定する。地図情報は、ＥＣＵ１０内に格納されていてもよい。

エンジン制御システム３１は、車両１のエンジンを制御するコントローラである。ＥＣＵ１０は、車両１を加速又は減速させる必要がある場合に、エンジン制御システム３１に対して、エンジン出力の変更を要求するエンジン出力変更要求信号を出力する。

ブレーキ制御システム３２は、車両１のブレーキ装置を制御するためのコントローラである。ＥＣＵ１０は、車両１を減速させる必要がある場合に、ブレーキ制御システム３２に対して、車両１への制動力の発生を要求するブレーキ要求信号を出力する。

ステアリング制御システム３３は、車両１のステアリング装置を制御するコントローラである。ＥＣＵ１０は、車両１の進行方向を変更する必要がある場合に、ステアリング制御システム３３に対して、操舵方向の変更を要求する操舵方向変更要求信号を出力する。

図２に示すように、ＥＣＵ１０は、入力処理部１０ａ、周辺物標検出部１０ｂ、目標走行経路算出部１０ｃ、運転操作判断部１０ｅ、及び制御目標算出部１０ｆとして機能する単一のＣＰＵ又はプロセッサを備えている。なお、本実施形態では、単一のＣＰＵが複数の上記機能を実行するように構成されているが、これに限らず、複数のＣＰＵがこれら機能を実行するように構成することができる。

入力処理部１０ａは、車載カメラ２１を含む種々のセンサ／スイッチ群、及び運転者操作部３５から入力された入力情報を処理するように構成されている。この入力処理部１０ａは、走行路面を撮像したカメラ２１の画像を解析し、車両１が走行している走行車線（車線の両側の区画線）を検出する画像解析部として機能する。

周辺物標検出部１０ｂは、ミリ波レーダ２２、カメラ２１等からの入力情報に基づいて周辺物標を検出するように構成されている。
目標走行経路算出部１０ｃは、ミリ波レーダ２２、車載カメラ２１、センサ群等からの入力情報に基づいて車両の目標走行経路を算出するように構成されている。

運転操作判断部１０ｅは、運転支援制御として自動速度制御及び／又は自動操舵制御が実行されているときに、乗員がアクセルペダル，ブレーキペダル，又はステアリングホイールを操作した場合、乗員による操作を優先して、乗員による操作に応じた要求信号を制御システム３１～３３へ出力するように構成されている。すなわち、運転操作判断部１０ｅにより、乗員は、自動的な運転支援制御をオーバーライドして、自らが運転操作を行うことが可能である。

制御目標算出部１０ｆは、目標走行経路算出部１０ｃによって算出された目標走行経路を補正して、補正走行経路を算出し、この補正走行経路に基づいて制御システム３１～３３へ要求信号を出力するように構成されている。

例えば、制御目標算出部１０ｆは、周辺物標検出部１０ｂによって回避すべき周辺物標が検出された場合に、目標走行経路を補正して補正走行経路を算出する。また、制御目標算出部１０ｆは、運転支援モードの変更によって目標走行経路自体が変更になった場合にも、新たな目標走行経路を補正して補正走行経路を算出する。車両１は、この補正走行経路を走行することにより、新たな目標走行経路へ合流する。すなわち、この場合の補正走行経路は、現在の車両挙動（舵角，加速度等）を新たな目標走行経路における車両挙動に適合させるための遷移的な経路である。

制御目標算出部１０ｆは、補正走行経路を算出するため、所定の評価関数を用いる。制御目標算出部１０ｆは、目標走行経路を基準として評価関数を用いて複数の候補走行経路を評価し、所定の制約条件（又は、拘束条件）を満足するように最適化された１つの補正走行経路を算出する。また、本実施形態においては、評価関数及び制約条件は、選択されている運転支援モードや周辺物標等に基づいて、適宜設定される。

ＥＣＵ１０は、制御目標算出部１０ｆによって決定された最適な補正走行経路を走行すべく、少なくともエンジン制御システム３１，ブレーキ制御システム３２，又はステアリング制御システム３３のいずれか１つ又は複数に対する要求信号を生成し、出力する。

次に、本実施形態による車両制御装置１００が備える運転支援モードについて説明する。本実施形態では、運転支援モードとして、５つのモード（レーンキープ制御モード、先行車追従モード、自動速度制御モード、速度制限モード、基本制御モード）が備えられている。

＜レーンキープ制御モード＞
レーンキープ制御モードは、車両１が車線の中央付近を走行するようにステアリング制御するモードであり、車両制御装置１００による自動的なステアリング制御、速度制御（エンジン制御、ブレーキ制御）を伴う。

本実施形態では、レーンキープ制御モードの選択時（すなわち、ＬＡＳスイッチ３６ｄが操作又は押下されている状態）において、走行車線の車線両端部の検出の可否に応じて、異なる制御が行われる。すなわち、車線両端部の検出中、ＥＣＵ１０は、車両１が走行車線の中央付近を走行するようにステアリング制御及び速度制御を行う。しかしながら、車線両端部が検出されない場合、運転支援モードは、基本制御モード（オフモード）に切り替えられる。基本制御モードでは、運転者がステアリング操作，アクセル操作及びブレーキ操作を行う。

なお、車線両端部とは、車両１が走行する車線の両端部（白線等の区画線，道路端，縁石，中央分離帯，ガードレール等）であり、隣接する車線や歩道等との境界である。ＥＣＵ１０は、この車線両端部を車載カメラ２１より撮像された画像データから検出する。また、ナビゲーションシステム３０の地図情報から車線両端部を検出してもよい。

＜先行車追従モード＞
先行車追従モードは、基本的に、車両１と先行車との間に車速に応じた所定の車間距離又は車間時間を維持しつつ、先行車の走行軌跡を車両１に追従走行させるモードであり、車両制御装置１００による自動的なステアリング制御，速度制御（エンジン制御，ブレーキ制御）を伴う。

本実施形態では、ＥＣＵ１０は、車載カメラ２１による画像データ及びミリ波レーダ２２による測定データにより、先行車を検出する。具体的には、車載カメラ２１による画像データにより前方を走行する他車両を走行車として検出する。更に、本実施形態では、ミリ波レーダ２２による測定データにより、車両１と他車両との車間距離が所定距離（例えば、４００～５００ｍ）以下である場合に、当該他車両が先行車として検出される。なお、代替的に、車載カメラ２１及び／又はミリ波レーダ２２が先行車を検出して、先行車の位置等の先行車情報をＥＣＵ１０へ出力してもよい。

本実施形態では、先行車追従モードの選択時（すなわち、ＴＪＡスイッチ３６ｂが操作又は押下されている状態）において、先行車の検出の可否に応じて、異なる制御が行われる。すなわち、先行車の検出中は、ＥＣＵ１０は、車両１が先行車を追従走行するようにステアリング制御及び速度制御を行う。しかしながら、先行車が検出されない間は、ＥＣＵ１０は、車両１が設定車速（一定速度）を目標速度として走行するように速度制御を行い、運転者がステアリング操作を行う。なお、設定車速は、例えば、車速設定スイッチ３７ｂによって設定することができる。または、代替的に、先行車が検出されない間は、運転支援モードは、基本制御モード（オフモード）に切り替えられる。

また、代替的な先行車追従モードにおいて、車線両端部及び先行車の検出の可否に応じて、異なる制御が行われるように構成してもよい。例えば、代替的な先行車追従モードでは、車線両端部及び先行車が検出されている場合、ＥＣＵ１０は、車両１が先行車の走行軌跡を追従するのではなく、先行車との所定の車間距離を維持しながら、車両１が走行車線の中央付近を走行するようにステアリング制御及び速度制御を行う。一方、先行車は検出されているが、車線両端部は検出されていない場合は、ＥＣＵ１０は、車両１が先行車の走行軌跡を追従走行するようにステアリング制御及び速度制御を行う。さらに、車線両端部は検出されているが、先行車は検出されていない場合、ＥＣＵ１０は、車両１が走行車線の中央付近を設定車速で走行するようにステアリング制御及び速度制御を行う。さらに、先行車も車線両端部も検出されていない場合、ＥＣＵ１０は、車両１は設定車速で走行するように速度制御を行い、運転者がステアリング操作を行う。

＜自動速度制御モード＞
また、自動速度制御モードは、車速設定スイッチ３７ｂを使用して運転者によって予め設定された所定の設定車速（一定速度）を目標速度として維持するように速度制御するモードであり、車両制御装置１００による自動的な速度制御（エンジン制御，ブレーキ制御）を伴うが、ステアリング制御は行われない。この自動速度制御モードでは、車両１は、設定車速を維持するように走行するが、運転者によるアクセルペダルの踏み込みにより設定車速を超えて増速され得る。また、運転者がブレーキ操作を行った場合には、運転者の意思が優先され、設定車速から減速される。また、先行車に追いついた場合には、車速に応じた車間距離又は車間時間を維持しながら先行車に追従するように速度制御され、先行車が存在しなくなると、再び設定車速に復帰するように速度制御される。

＜速度制限モード＞
また、速度制限モードは、車両１の車速が速度標識による制限速度又は運転者によって設定された設定車速を超えないように速度制御するモードであり、車両制御装置１００による自動的な速度制御（エンジン制御）を伴うが、ステアリング制御は行われない。制限速度は、車載カメラ２１により撮像された速度標識や路面上の速度表示の画像データをＥＣＵ１０が画像認識処理することにより特定してもよいし、外部からの無線通信により受信してもよい。速度制限モードでは、運転者が制限速度を超えるようにアクセルペダルを踏み込んだ場合であっても、車両１は制限速度までしか増速されない。

＜基本制御モード＞
基本制御モードは、運転者操作部３５により、何れの運転支援モードも選択されていないときのモード（オフモード）であり、車両制御装置１００による自動的なステアリング制御及び速度制御は行われない。

次に、本実施形態による車両制御装置１００により計算される目標走行経路について説明する。本実施形態では、ＥＣＵ１０に備えられた目標走行経路算出部１０ｃが、以下の第１走行経路Ｒ１～第３走行経路Ｒ３を時間的に繰返し計算するように構成されている（例えば、０．１秒毎）。本実施形態では、ＥＣＵ１０は、センサ等の情報に基づいて、現時点から所定の予測期間（例えば、５秒）が経過するまでの間の走行経路を計算する。走行経路Ｒｘ（ｘ＝１，２，３）は、所定の設定経過時間において設定される走行経路上の車両１の目標位置（Ｐｘ_ｋ）及び目標速度（Ｖｘ_ｋ）により特定される（ｋ＝０，１，２，・・・，ｎ）。更に、各目標位置において、目標速度以外に複数の変数（加速度、ジャーク、ヨーレート、舵角、車両角度等）について目標値が特定される。

なお、第１走行経路～第３走行経路は、車両１が走行する走行路上又は走行路周辺の物標（駐車車両、歩行者等の障害物）に関する周辺物標の検出情報を考慮せずに、走行路の形状，先行車の走行軌跡，車両１の走行挙動，及び設定車速に基づいて計算される。このように、本実施形態では、周辺物標の情報が計算に考慮されないので、これら複数の走行経路の全体的な計算負荷を低く抑えることができる。

（第１走行経路）
第１走行経路Ｒ１は、道路形状に即して車両１に走行車線内の走行を維持させるように所定期間分だけ設定される。詳しくは、第１走行経路Ｒ１は、原則的に、車線の中央付近の走行を維持するように設定される。

目標走行経路算出部１０ｃは、車載カメラ２１により撮像された車両１の周囲の画像データの画像認識処理を実行し、車線両端部を検出する。車線両端部は、上述のように、区画線（白線等）や路肩等である。目標走行経路算出部１０ｃは、車線両端部の幅方向の中央部を車両１の幅方向中央部（例えば、重心位置）が通過するように、第１走行経路Ｒ１の複数の目標位置Ｐ１_ｋを設定する。また、第１走行経路Ｒ１の各目標位置Ｐ１_ｋにおける目標速度Ｖ１_ｋは、原則的に、運転者が運転者操作部３５の車速設定スイッチ３７ｂによって設定した速度、又は車両制御装置１００によって予め設定された所定の設定車速（一定速度）に設定される。

（第２走行経路）
第２走行経路Ｒ２は、先行車の走行軌跡を追従するように所定期間分だけ設定される。目標走行経路算出部１０ｃは、車載カメラ２１による画像データ，ミリ波レーダ２２による測定データ，車速センサ２３による車両１の車速に基づいて先行車情報（先行車の位置，速度，加速度等）を取得し、先行車情報に基づいて、将来の所定期間にわたる先行車の走行挙動を推定又は予測する。具体的には、目標走行経路算出部１０ｃは、先行車の予測走行挙動として、先行車が現在の走行挙動を維持しながら現在から所定期間後まで走行すると仮定する。

そして、目標走行経路算出部１０ｃは、先行車の予測走行挙動に基づいて、車両１が先行車に対して、先行車の後方位置において、車両１の速度に応じた車間距離（実際は、先行車との車間時間）を維持するように、第２走行経路Ｒ２（目標位置Ｐ２_ｋ、目標速度Ｖ２_ｋ）を計算する。

（第３走行経路）
第３走行経路Ｒ３は、車両１の現在の舵角δと速度Ｖに基づいて所定期間分だけ設定される。即ち、第３走行経路Ｒ３は、車両１の現在の舵角δと速度Ｖを維持して、車両１が定常円旋回するように設定される。よって、第３走行経路Ｒ３の目標速度Ｖ３_ｋは、現在の速度Ｖに設定され、目標位置Ｐ３_ｋは、円弧経路上を車両１が速度Ｖで走行した場合における所定の設定経過時間の通過位置に設定される。

次に、本実施形態による車両制御装置１００における運転支援モードと走行経路との関係について説明する。本実施形態では、運転者が運転者操作部３５を操作して１つの運転支援モードを選択すると、選択された運転支援モードに応じて第１～第３走行経路のうちの１つが目標走行経路として選択されるように構成されている。

レーンキープ制御モードの選択時には、車線両端部が検出されていると、第１走行経路が選択される。この場合、車速設定スイッチ３７ｂによって設定された設定車速が目標速度となる。
また、先行車追従モードの選択時には、先行車が検出された場合、第２走行経路が選択される。この場合、目標速度は、先行車の車速に応じて設定される。また、先行車追従モードの選択時において、先行車が検出されない場合、車線両端部の検出の可否に応じて、第１又は第３走行経路が選択され、設定車速が目標速度となる。

また、自動速度制御モードの選択時には、第３走行経路が選択される。自動速度制御モードは、上述のように速度制御を自動的に実行するモードであり、車速設定スイッチ３７ｂによって設定された設定車速が目標速度となる。また、運転者によるステアリングホイールの操作に基づいてステアリング制御が実行される。

また、速度制限モードの選択時にも第３走行経路が選択される。速度制限モードも、上述のように速度制御を自動的に実行するモードであり、目標速度は、制限速度以下の範囲で、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量に応じて設定される。また、運転者によるステアリングホイールの操作に基づいてステアリング制御が実行される。

また、基本制御モード（オフモード）の選択時には、第３走行経路が選択される。基本制御モードは、基本的に、速度制限モードにおいて制限速度が設定されない状態と同様である。

次に、図３～図５を参照して、本実施形態によるＥＣＵ１０の制御目標算出部１０ｆにおいて実行される制御目標算出処理について説明する。図３は制御目標算出処理の説明図、図４は補正走行経路の説明図、図５は車両モデルの説明図である。本実施形態において、制御目標算出処理には、走行経路補正処理が含まれる。

図３及び図４に示すように、制御目標算出部１０ｆは、目標走行経路Ｒを外部環境（障害物３等）や運転支援モードの変更に応じて補正して、補正走行経路Ｒｃを算出する。そして、制御目標算出部１０ｆは、車両１がこの補正走行経路Ｒｃを走行するための所定の制御量の制御目標値（加速度目標、舵角目標）を計算し、制御目標に基づいて車両１の制御システムへ要求信号を出力する。なお、図４には、所定期間（例えば、５秒）にわたる例示的な目標走行経路Ｒ，補正走行経路Ｒｃが示されている。各経路Ｒ，Ｒｃには、それぞれ所定の設定経過時間における目標位置Ｐ，補正目標位置Ｐｃが示されている。

具体的には、制御目標算出部１０ｆは、センサ／スイッチ群から各種情報を受け取り、目標走行経路算出部１０ｃから目標走行経路Ｒを受け取り、周辺物標検出部１０ｂから周辺物標に関する情報を受け取る。制御目標算出部１０ｆは、これらの情報に基づいて、制約条件（周辺物標との衝突回避等）を満足しつつ、目標走行経路Ｒからの逸脱量が小さくなるように最適化された補正走行経路Ｒｃをモデル予測制御を用いて計算する。すなわち、本実施形態では、制御目標算出部１０ｆは、制約条件下で（又は拘束条件下で）所定の評価関数Ｊの評価値を最小にするという最適化問題を解くように構成されたソルバーを含む。このため、制御目標算出部１０ｆは、最適化計算部１１ａとモデル予測部１１ｂを備えている。

本実施形態では、概略的には、最適化計算部１１ａは、車両１の現在の挙動（速度、位置、加速度、舵角等）に基づいて、制約条件（障害物等）を回避するような候補補正走行経路を設定し、候補補正走行経路上の各候補目標位置での物理量（加速度、舵角）を入力値としてモデル予測部１１ｂへ与える。モデル予測部１１ｂは、入力値を車両モデルに適用することにより、候補補正走行経路上での車両１の挙動を計算し、候補補正走行経路上の各候補目標位置を特定すると共に、車両挙動に基づく種々の物理量を最適化計算部１１ａへフィードバックする。各候補目標位置は、隣り合う候補目標位置間での移動距離を積算していくことにより算出される。

車両モデルは、車両１の物理的な運動を規定するものであり、以下の運動方程式で記述される。この車両モデルは、本例では図５に示す２輪モデルである。車両モデルにより車両１の物理的な運動が規定される。

図５及び式（１）、（２）中、ｍは車両１の質量、Ｉは車両１のヨーイング慣性モーメント、ｌはホイールベース、ｌ_fは車両重心点と前車軸間の距離、ｌ_rは車両重心点と後車軸間の距離、Ｋ_fは前輪１輪あたりのタイヤコーナリングパワー、Ｋ_rは後輪１輪あたりのタイヤコーナリングパワー、Ｖは車両１の車速、δは前輪の実舵角、βは車両重心点の横すべり角、ｒは車両１のヨー角速度、θは車両１のヨー角、ｙは絶対空間に対する車両１の横変位、ｔは時間である。

最適化計算部１１ａは、候補補正走行経路上での車両１の挙動を表すフィードバックに基づいて評価関数Ｊを用いて、候補補正走行経路を評価する。本実施形態では、評価関数Ｊは、補正走行経路の評価に関する評価項ＪＥと、制約条件に関する制約項ＪＣとを含む。評価項ＪＥは、複数の評価ファクタを有する。また、制約項ＪＣは複数の制約ファクタを有する。制御目標算出部１０ｆは、実行中の運転支援モード及びセンサ情報等に応じて異なるように評価関数Ｊを設定する。

複数の評価ファクタは、補正目標位置での車両１の挙動を表す複数の物理量（例えば、速度（縦方向及び横方向）、加速度（縦方向及び横方向）、ジャーク（縦方向及び横方向）、ヨーレート、車線中心に対する横位置、車両角度、舵角、舵角速度、その他ソフト制約）にそれぞれ対応して設定されている。評価ファクタには、目標走行経路と補正走行経路の物理量の差が小さいほど評価が高くなる第１評価ファクタと、物理量自体の大きさが小さいほど評価が高くなる第２評価ファクタが含まれる。本実施形態では、評価値が小さな値となるほど、評価が高くなる。

第１評価ファクタは、目標走行経路と補正走行経路の差を最小化するための評価ファクタであり、第１評価ファクタの物理量は、例えば、速度（縦方向及び横方向）、横位置等である。一方、第２評価ファクタは、所定の物理量を最小化するための評価ファクタであり、第２評価ファクタの物理量は、例えば、加速度（縦方向及び横方向）、ジャーク（縦方向及び横方向）、舵角、舵角速度等である。

また、複数の制約ファクタは、複数の物理量にそれぞれ対応して設定されている。制約ファクタは、対応する物理量に対して規定された制限範囲（下限値～上限値）をその物理量が超えた量に応じて、ペナルティ値として見積もられる。よって、超過量が大きいほど、ペナルティ値は大きくなる（すなわち、結果的に、評価値は大きくなる）。

例えば、速度（縦方向及び横方向）、加速度（縦方向及び横方向）、ジャーク（縦方向及び横方向）、舵角、舵角速度、ヨーレートを含む複数の物理量には、それぞれ原則的に固定された制限範囲が規定されている。しかしながら、固定の制限範囲よりも狭い範囲に制限範囲が変更される場合がある。例えば、下記で説明する速度分布領域（図６参照）が適用される場合には、車両１の位置に応じて物標３に対する速度の制限範囲が変更される。また、車両１が走行車線を逸脱しないという制約条件により（すなわち、車両１の横方向位置が、車線内にあること）、横方向位置の制限範囲が車線内に設定される。

評価関数Ｊ（＝ＪＥ＋ＪＣ）は、以下の式で記述される。

評価項ＪＥについて、式中、Ｗｋ（Ｘｋ－Ｘｒｅｆｋ）²は評価ファクタ、Ｘｋは補正走行経路の物理量、Ｘｒｅｆｋは目標走行経路の物理量又は０（ゼロ値）、Ｗｋは評価ファクタの重み係数（例えば、０≦Ｗｋ≦１）である（但し、ｋ＝１～ｎ）。したがって、本実施形態の評価項ＪＥは、ｎ個の評価ファクタの物理量について、候補補正走行経路の物理量から目標走行経路の物理量（目標走行経路との差を最小化する評価ファクタの場合）又はゼロ値（物理量自体を最小化する評価ファクタの場合）を差し引いた差分の２乗の和を重み付けして、所定期間（例えば、５秒）の走行経路長にわたってさらに重み付けして合計した値に相当する。なお、重み係数Ｗｋは、各運転支援モードに応じて異なって設定される。

一方、制約項ＪＣは、複数の物理量の制限範囲からの超過量に応じた評価値の合計値を、所定期間（例えば、５秒）の走行経路長にわたって合計した値に相当する。各評価値は、例えば、超過量を２乗した値に所定の重み係数Ｗを乗じた値とすることができる。なお、所定の物理量の制限範囲は、周辺物標等に応じて変動し得る。

このように、評価項ＪＥ，制約項ＪＣは、それぞれ各予測点（又は補正目標位置）におけるすべての評価ファクタ，制約ファクタの重み付け評価値を、各予測点に設定された重み係数ＣＥｋ，ＣＣｋ（ｋ＝１～Ｎ）で重み付けし、すべての予測点（ｋ＝１～Ｎ）について加算することにより算出される総和である。

本実施形態では、評価関数Ｊは、制約項ＪＣが組み込まれたラグランジュ関数である。よって、最適化計算部１１ａは、無制約の最適化問題を解くように構成されており、良好な収束性で最適解を導出可能である。仮に評価関数Ｊが制約項ＪＣを含まない場合、モデル予測部１１ｂからのフィードバックが制約条件を満足しないと、そのフィードバックは最適化問題の収束性に何ら寄与しない。この場合、最適解が所定計算時間内に得られないおそれがある。

さらに、本実施形態では、フィードバックが制約条件を完全には満足しない場合であっても、最適化計算部１１ａは、その候補補正走行経路を、制約条件を考慮して評価関数Ｊにより評価することができる。これにより、本実施形態では、収束性を向上させることができる。例えば、センサ情報等のノイズ誤差や、道路環境の評価に対する誤差や、モデル関数に起因する誤差等により、制約条件をわずかに超えるような候補補正走行経路を確実に評価することができる。ただし、本実施形態では、制約項ＪＣの重み係数を大きな値に設定することにより、制約項ＪＣを制約条件として確実に機能させることができる。

本実施形態では、最適化計算部１１ａは、モデル予測部１１ｂからのフィードバックに基づいて、評価関数Ｊを用いて候補補正走行経路についての評価値を算出する。最適化計算部１１ａは、評価値に応じて、新たな候補目標走行経路を設定し、この新たな候補補正走行経路に基づいて、修正した入力値をモデル予測部１１ｂへ与える。本実施形態では、このような最適化計算部１１ａとモデル予測部１１ｂとの間でのフィードバックが複数回繰り返されることにより、評価関数Ｊの評価値が最小化（又は、最適化）された補正走行経路Ｒｃが算出される。なお、フィードバックの最大繰り返し回数は、所定回数に制限されてもよい。

次に、図６～図７を参照して、本実施形態による障害物回避処理について説明する。図６は目標走行経路の補正による障害物回避の説明図、図７は障害物を回避する際の障害物と車両との間のすれ違い速度の許容上限値とクリアランスとの関係を示す説明図である。図６では、車両１は走行路（車線）７上を走行しており、走行中又は停車中の車両３とすれ違って、車両３を追い抜こうとしている。

一般に、道路上又は道路付近の障害物（例えば、先行車、駐車車両、歩行者等）とすれ違うとき（又は追い抜くとき）、車両１の運転者は、進行方向に対して直交する横方向において、車両１と障害物との間に所定のクリアランス又は間隔（横方向距離）を保ち、且つ、車両１の運転者が安全と感じる速度に減速する。具体的には、先行車が急に進路変更したり、障害物の死角から歩行者が出てきたり、駐車車両のドアが開いたりするといった危険を回避するため、クリアランスが小さいほど、障害物に対する相対速度は小さくされる。

また、一般に、後方から先行車に近づいているとき、車両１の運転者は、進行方向に沿った車間距離（縦方向距離）に応じて速度（相対速度）を調整する。具体的には、車間距離が大きいときは、接近速度（相対速度）が大きく維持されるが、車間距離が小さくなると、接近速度は低速にされる。そして、所定の車間距離で両車両の間の相対速度はゼロとなる。これは、先行車が駐車車両であっても同様である。

このように、運転者は、障害物と車両１との間の距離（横方向距離及び縦方向距離を含む）と相対速度との関係を考慮しながら、危険がないように車両１を運転している。

そこで、本実施形態では、図６に示すように、車両１は、車両１から検知される障害物（例えば、駐車車両３）に対して、障害物の周囲に（横方向領域、後方領域、及び前方領域にわたって）又は少なくとも障害物と車両１との間に、車両１の進行方向における相対速度についての許容上限値を規定する２次元分布（速度分布領域４０）を設定するように構成されている。速度分布領域４０では、障害物の周囲の各点において、相対速度の許容上限値Ｖ_limが設定されている。

図６から分かるように、速度分布領域４０は、原則的に、障害物からの横方向距離及び縦方向距離が小さくなるほど（障害物に近づくほど）、相対速度の許容上限値が小さくなるように設定される。また、図６では、理解の容易のため、同じ許容上限値を有する点を連結した等相対速度線が示されている。等相対速度線ａ，ｂ，ｃ，ｄは、それぞれ許容上限値Ｖ_limが０ｋｍ／ｈ，２０ｋｍ／ｈ，４０ｋｍ／ｈ，６０ｋｍ／ｈに相当する。本例では、各等相対速度領域は、略矩形に設定されている。

本実施形態では、すべての運転支援モードにおいて、障害物に対する車両１の相対速度が速度分布領域４０内の許容上限値Ｖ_limを超えることがないように目標走行経路の補正が実施される。すなわち、速度分布領域４０が、車両１の速度に対する制約条件となる。具体的には、制御目標算出部１０ｆは、周辺物標検出部１０ｂによって回避すべき障害物（周辺物標）が検出されると、障害物に対して速度分布領域４０を設定する。そして、制御目標算出部１０ｆは、速度分布領域４０により規定される許容上限値Ｖ_limを超えることがないように、目標走行経路算出部１０ｃによって算出された目標走行経路Ｒを補正して、補正走行経路Ｒｃを算出する。図６には、例示的な補正走行経路Ｒｃ１，Ｒｃ２，Ｒｃ３が示されている。

なお、速度分布領域４０は、必ずしも障害物の全周にわたって設定されなくてもよく、少なくとも障害物の後方、及び、車両１が存在する障害物の横方向の一方側（図６では、車両３の右側領域）に設定されればよい。

図７に示すように、車両１がある絶対速度で走行するときにおいて、障害物の横方向に設定される許容上限値Ｖ_limは、クリアランスＸがＤ₀（安全距離）までは０（ゼロ）ｋｍ／ｈであり、Ｄ₀以上で２次関数的に増加する（Ｖ_lim＝ｋ（Ｘ－Ｄ₀）²。ただし、Ｘ≧Ｄ₀）。即ち、安全確保のため、クリアランスＸがＤ₀以下では車両１は相対速度がゼロとなる。一方、クリアランスＸがＤ₀以上では、クリアランスが大きくなるほど、車両１は大きな相対速度ですれ違うことが許容される。

図７の例では、障害物の横方向における許容上限値は、Ｖ_lim＝ｆ（Ｘ）＝ｋ（Ｘ－Ｄ₀）²で定義されている。なお、ｋは、Ｘに対するＶ_limの変化度合いに関連するゲイン係数であり、障害物の種類等に依存して設定される。また、Ｄ₀も障害物の種類等に依存して設定される。

なお、本実施形態では、Ｖ_limがＸの２次関数となるように定義されているが、これに限らず、他の関数（例えば、一次関数等）で定義されてもよい。また、図７を参照して、障害物の横方向の許容上限値Ｖ_limについて説明したが、障害物の縦方向を含むすべての径方向について同様に設定することができる。その際、係数ｋ、安全距離Ｄ₀は、障害物からの方向に応じて設定することができる。

なお、速度分布領域４０は、種々のパラメータに基づいて設定することが可能である。パラメータとして、例えば、車両１と障害物の相対速度、障害物の種類、車両１の進行方向、障害物の移動方向及び移動速度、障害物の長さ、車両１の絶対速度等を考慮することができる。即ち、これらのパラメータに基づいて、係数ｋ及び安全距離Ｄ₀を選択することができる。

また、本実施形態において、障害物は、車両，歩行者，自転車，崖，溝，穴，落下物等を含む。更に、車両は、自動車，トラック，自動二輪で区別可能である。歩行者は、大人，子供，集団で区別可能である。

図６に示すように、車両１が走行路７上を走行しているとき、車両１のＥＣＵ１０に内蔵された周辺物標検出部１０ｂは、車載カメラ２１から画像データに基づいて障害物（車両３）を検出する。このとき、障害物の種類（この場合は、車両、歩行者）が特定される。

また、周辺物標検出部１０ｂは、ミリ波レーダ２２の測定データ及び車速センサ２３の車速データに基づいて、車両１に対する障害物（車両３）の位置及び相対速度並びに絶対速度を算出する。なお、障害物の位置は、車両１の進行方向に沿ったｘ方向位置（縦方向距離）と、進行方向と直交する横方向に沿ったｙ方向位置（横方向距離）が含まれる。

制御目標算出部１０ｆは、検知したすべての障害物（図６の場合、車両３）について、それぞれ速度分布領域４０を設定する。そして、制御目標算出部１０ｆは、車両１の速度が速度分布領域４０の許容上限値Ｖ_limを超えないように目標走行経路Ｒの補正を行う。

即ち、目標走行経路Ｒを車両１が走行すると、ある目標位置において目標速度が速度分布領域４０によって規定された許容上限値を超えてしまう場合には、目標位置を変更することなく目標速度を低下させるか（図６の経路Ｒｃ１）、目標速度を変更することなく目標速度が許容上限値を超えないように迂回経路上に目標位置を変更するか（図６の経路Ｒｃ３）、目標位置及び目標速度の両方が変更される（図６の経路Ｒｃ２）。

なお、一般的に、評価関数Ｊにおいて、舵角速度を最小化するための評価ファクタの重み係数が大きい場合に補正走行経路Ｒｃ１が算出され、前後方向の加速度を最小化するための評価ファクタの重み係数が大きい場合に補正走行経路Ｒｃ３が算出される。

例えば、図６は、計算されていた目標走行経路Ｒが、走行路７の幅方向の中央位置（目標位置）を６０ｋｍ／ｈ（目標速度）で走行する経路であった場合を示している。この場合、前方に駐車車両３が障害物として存在するが、上述のように、目標走行経路Ｒの計算段階においては、計算負荷の低減のため、この障害物は考慮されていない。

目標走行経路Ｒを走行すると、車両１は、速度分布領域４０の等相対速度線ｄ，ｃ，ｃ，ｄを順に横切ることになる。即ち、６０ｋｍ／ｈで走行する車両１が等相対速度線ｄ（許容上限値Ｖ_lim＝６０ｋｍ／ｈ）の内側の領域に進入することになる。したがって、制御目標算出部１０ｆは、目標走行経路Ｒの各目標位置における目標速度を許容上限値Ｖ_lim以下に制限するように目標走行経路Ｒを補正して、補正走行経路Ｒｃ１を生成する。即ち、補正走行経路Ｒｃ１では、各目標位置において目標速度が許容上限値Ｖ_lim以下となるように、車両３に接近するに連れて目標速度が徐々に４０ｋｍ／ｈ未満に低下し、その後、車両３から遠ざかるに連れて目標速度が元の６０ｋｍ／ｈまで徐々に増加される。

また、補正走行経路Ｒｃ３は、目標走行経路Ｒの目標速度（６０ｋｍ／ｈ）を変更せず、このため等相対速度線ｄ（相対速度６０ｋｍ／ｈに相当）の外側を走行するように設定された経路である。制御目標算出部１０ｆは、目標走行経路Ｒの目標速度を維持するため、目標位置が等相対速度線ｄ上又はその外側に位置するように目標位置を変更するように目標走行経路Ｒを補正して、補正走行経路Ｒｃ３を生成する。したがって、補正走行経路Ｒｃ３の目標速度は、目標走行経路Ｒの目標速度であった６０ｋｍ／ｈに維持される。

また、補正走行経路Ｒｃ２は、目標走行経路Ｒの目標位置及び目標速度の両方が変更された経路である。補正走行経路Ｒｃ２では、目標速度は、６０ｋｍ／ｈには維持されず、車両３に接近するに連れて徐々に低下し、その後、車両３から遠ざかるに連れて元の６０ｋｍ／ｈまで徐々に増加される。

補正走行経路Ｒｃ１のように、目標走行経路Ｒの目標位置を変更せず、目標速度のみを変更する補正は、速度制御を伴うが、ステアリング制御を伴わない運転支援モードに適用することができる（例えば、自動速度制御モード、速度制限モード、基本制御モード）。
また、補正走行経路Ｒｃ３のように、目標走行経路Ｒの目標速度を変更せず、目標位置のみを変更する補正は、ステアリング制御を伴う運転支援モードに適用することができる（例えば、先行車追従モード）。
また、補正走行経路Ｒｃ２のように、目標走行経路Ｒの目標位置及び目標速度を共に変更する補正は、速度制御及びステアリング制御を伴う運転支援モードに適用することができる（例えば、先行車追従モード）。

次に、図８を参照して、本実施形態の車両制御装置１００における運転支援制御の処理フローを説明する。図８は運転支援制御の処理フローである。
ＥＣＵ１０は、図８の処理フローを所定時間（例えば、０．１秒）ごとに繰り返して実行している。まず、ＥＣＵ１０（入力処理部１０ａ）は、情報取得処理を実行する（Ｓ１１）。情報取得処理において、ＥＣＵ１０は、測位システム２９及びナビゲーションシステム３０から、現在車両位置情報及び地図情報を取得し（Ｓ１１ａ）、車載カメラ２１，ミリ波レーダ２２，車速センサ２３，加速度センサ２４，ヨーレートセンサ２５，運転者操作部３５等からセンサ情報を取得し（Ｓ１１ｂ）、舵角センサ２６，アクセルセンサ２７，ブレーキセンサ２８等からスイッチ情報を取得する（Ｓ１１ｃ）。

次に、ＥＣＵ１０（入力処理部１０ａ，周辺物標検出部１０ｂ）は、情報取得処理（Ｓ１１）において取得した各種の情報を用いて所定の情報検出処理を実行する（Ｓ１２）。情報検出処理において、ＥＣＵ１０は、現在車両位置情報及び地図情報並びにセンサ情報から、車両１の周囲及び前方エリアにおける走行路形状に関する走行路情報（直線区間及びカーブ区間の有無，各区間長さ，カーブ区間の曲率半径，車線幅，車線両端部位置，車線数，交差点の有無，カーブ曲率で規定される制限速度等）、走行規制情報（制限速度、赤信号等）、先行車情報（先行車の位置，速度，加速度等），周辺物標情報を検出する（Ｓ１２ａ）。

また、ＥＣＵ１０は、スイッチ情報から、運転者による車両操作に関する車両操作情報（舵角，アクセルペダル踏み込み量，ブレーキペダル踏み込み量等）を検出し（Ｓ１２ｂ）、更に、スイッチ情報及びセンサ情報から、車両１の挙動に関する走行挙動情報（車速、縦加速度、横加速度、ヨーレート等）を検出する（Ｓ１２ｃ）。

次に、ＥＣＵ１０（目標走行経路算出部１０ｃ）は、計算により得られた情報に基づいて、目標走行経路算出処理を実行する（Ｓ１３）。目標走行経路算出処理では、上述のように、第１走行経路Ｒ１，第２走行経路Ｒ２，及び第３走行経路Ｒ３が計算され、これらの中から、選択されている運転支援モードとセンサ情報（先行車、車線両端部等）に応じて、目標走行経路Ｒが選択される。

次に、ＥＣＵ１０（制御目標算出部１０ｆ）は、目標走行経路Ｒ、周辺物標情報、各種のセンサ情報等に基づいて、制御目標算出処理を実行する（Ｓ１４）。制御目標算出処理では、上述のように、補正走行経路Ｒｃが算出され、この補正走行経路Ｒｃ上の各補正目標位置Ｐｃにおける所定の制御量の制御目標（加速度目標、舵角目標）が生成される。

最後に、ＥＣＵ１０（制御目標算出部１０ｆ）は、生成した補正走行経路Ｒｃにおける制御目標に基づいて、システム制御処理を実行して（Ｓ１５）、処理を終了する。システム制御処理では、補正走行経路Ｒｃにおける制御目標に応じて、要求信号（エンジン要求信号，ブレーキ要求信号，ステアリング要求信号）が生成され、生成された要求信号が車両１の制御システム３１～３３へ出力される。

次に、図９及び図１０を参照して、本実施形態の車両制御装置における予測点の設定について説明する。図９は予測点の設定経過時間と重み係数のグラフ、図１０は補正走行経路の説明図である。
図９及び図１０に示すように、本実施形態では、現在時間から所定時間が経過するまでの予測期間（約５秒）には、複数の予測点Ｐｃ（ｋ＝１～Ｎ；Ｎ＝１０）のための複数の設定経過時間が設定されている。

本実施形態では、複数の予測点Ｐｃは、均等な間隔で設定されておらず、時間経過と共に隣接する２つの予測点Ｐｃの時間間隔が増加するように設定されている。具体的には、本例の設定経過時間ｔ_kは、以下の式に示すように、第１の予測点Ｐｃが現在時間から０．１秒後に設定され、その後の予測点Ｐｃは、隣接する２つの予測点Ｐｃの時間間隔が時間経過にしたがって０．１秒ずつ増加されるように設定されている。
ｔ₁＝０．１
ｔ_k＝ｔ_k-1＋０．１×ｋ（ｋ＝２～１０）。
よって、予測点Ｐｃは、現在時間（ｔ＝０）から０．１，０．３，０．６，１．０，１．５，２．１，２．８，３．６，４．５，５．５秒後の車両１の予測位置として設定されている。

このように本実施形態では、遠位側の予測点Ｐｃほど隣接する予測点間の時間間隔が長く設定されることにより、予測点Ｐｃの数を増加させることなく、全体として予測期間を長く設定することが可能となる。例えば、０．３秒毎に１０点の予測点Ｐｃを設定した場合には、予測期間が３秒に減少してしまう。よって、本実施形態では、より長い予測期間が設定されることにより、より遠方の状況を反映させた補正走行経路Ｒｃを、計算負荷を増大させることなく算出することができる。

また、本実施形態において、各予測点Ｐｃの重み係数ＣＥ_k，ＣＣ_kは、各予測点Ｐｃの設定経過時間ｔ_kの２乗に反比例する値の常用対数に比例するように設定されている。
ＣＥ_k＝Ｃｅ×ｌｏｇ（Ｄｅ／ｔ_k ²）
ＣＣ_k＝Ｃｃ×ｌｏｇ（Ｄｃ／ｔ_k ²）

なお、これらの式中、Ｃｅ，Ｃｃ，Ｄｅ，Ｄｃは、それぞれ係数（定数）であり、図９のグラフの曲線形状を決定する。係数Ｃｅ，Ｃｃは、それぞれ重み係数ＣＥ，ＣＣの合計が１になるように設定されている。また、係数Ｄｅ，Ｄｃは、各重み係数ＣＥ_k，ＣＣ_kの予測点間の大きさの関係を決定するパラメータである。なお、本実施形態では、ＣｅとＣｃ、及び、Ｄｅ，Ｄｃは、それぞれ同一の定数である（Ｃｅ＝Ｃｃ＝Ｃ、Ｄｅ＝Ｄｃ＝Ｄ）。よって、本例では、重み係数ＣＥ_k，ＣＣ_kは、同一である。なお、代替的に、各予測点Ｐｃにおいて、重み係数ＣＣ_kの方が重み係数ＣＥ_kよりも大きくなるように（ＣＣ_k＞ＣＥ_k）、係数Ｃｃを係数Ｃｅよりも大きな数に設定してもよい（Ｃｃ＞Ｃｅ）。この場合、評価関数Ｊにおいて、評価項ＪＥよりも制約条件（制約項ＪＣ）による評価を相対的に厳しく設定することができる。

運転者と物標との距離がｎ倍に広がると、運転者から見て物標の移動速度は１／ｎになる。そして、物標の運動エネルギーは速度の２乗に比例するので、離間距離がｎ倍になると、運転者が物標から受ける刺激量は１／ｎ²になる。さらに、フェヒナーの法則によれば、人間に与える心理的な感覚量は、刺激量の常用対数に比例する。また、各予測点Ｐｃの設定経過時間は、現在位置から各予測点Ｐｃまでの距離に概ね比例する。

そこで、本実施形態では、評価関数Ｊにおいて重み係数ＣＥ，ＣＣが設定経過時間ｔ_kの２乗に反比例する値の常用対数に比例するように設定されている。よって、本実施形態では、このような評価関数Ｊを用いて算出された補正走行経路Ｒｃから、運転者の感覚に適合した制御目標を算出することができる。

図１０は、本実施形態の重み係数ＣＥ，ＣＣを有する評価関数Ｊを用いて算出された補正走行経路Ｒｃを示している。重み係数ＣＥ，ＣＣは、時間軸において、車両１の近位側よりも遠位側の方が小さく設定されている。したがって、目標走行経路Ｒに対する補正走行経路Ｒｃのずれは、遠位側の予測点Ｐｃにおいて小さく評価される。よって、遠位側の予測点Ｐｃでのずれが近位側の経路に与える影響が小さくなるので、近位側の予測点Ｐｃで評価値を低下させるような（例えば、急操舵を要するような）補正走行経路Ｒｃが算出されることが防止される。これにより、本実施形態では、遠位側ほど予測点Ｐｃの時間間隔を増加させつつ、運転者に違和感を与えない補正走行経路Ｒｃを算出することができる。

なお、図１０に示すように、補正走行経路Ｒｃは、遠位側の予測点Ｐｃでのずれが許容されるが、所定時間（例えば、０．１秒）ごとに繰り返し計算されるので、遠位側の経路における車両１の走行安全性は低下せず、むしろ、近位側の経路における走行安全性及び走行快適性が高められる。

次に、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して、改変例に係る予測点における重み係数の設定について説明する。図１１Ａ及び図１１Ｂは、改変例に係る予測点の設定経過時間と重み係数のグラフである。図１１Ａ及び図１１Ｂの例では、予測点Ｐｃの設定経過時間ｔ_kは、図９の例と同じである（ｔ₁＝０．１、ｔ_k＝ｔ_k-1＋０．１×ｋ、ｋ＝２～１０）。

図１１Ａの例では、各予測点Ｐｃの重み係数ＣＥ_k，ＣＣ_kは、以下のように、各予測点Ｐｃの設定経過時間ｔ_kの２乗に反比例するように設定されている。なお、係数Ｃ１は定数であり、係数ＣＥ，ＣＣの合計が１になるように設定されている。
ＣＥ_k＝ＣＣ_k＝Ｃ１／ｔ_k ²

上述のように、運転者と物標との距離がｎ倍に広がると、運転者から見て物標の移動速度は１／ｎになる。そして、物標の運動エネルギーは速度の２乗に比例するので、離間距離がｎ倍になると、運転者が物標から受ける刺激量は１／ｎ²になる。さらに、各予測点Ｐｃの設定経過時間は、現在位置から各予測点Ｐｃまでの距離に概ね比例する。よって、図１１Ａの改変例では、評価関数Ｊにおいて重み係数ＣＥ，ＣＣが設定経過時間ｔ_kの２乗に反比例するように設定されることにより、運転者が周囲環境から受ける刺激量に適合した制御目標を算出することができる。

また、図１１Ｂの例では、各予測点の重み係数ＣＥ_k，ＣＣ_kは、各予測点Ｐｃの設定経過時間ｔ_kに比例して線形に減少するように設定されている（０＜Ｃ２＜１）。なお、係数Ｃ２は定数であり、係数ＣＥ，ＣＣの合計が１になるように設定されている。
ＣＥ_k＝ＣＣ_k＝Ｃ２×ｔ_k

また、代替的に、上記実施形態及び改変例において、予測点Ｐｃの設定経過時間ｔｋを以下の式にしたがって設定してもよい。
ｔ₁＝０．１、ｔ₂＝０．２
ｔ_k＝ｔ_k-1＋ｔ_k-2（ｋ＝３～１０）
この例では、ｔ_kがフィボナッチ数列をなすように設定されている。よって、予測点Ｐｃは、現在時間から０．１，０．２，０．３，０．５，０．８，１．３，２．１，３．４，５．５，８．９秒後の車両１の予測位置として設定されている。

次に、本発明の実施形態による車両制御装置１００の作用について説明する。
本発明の実施形態の車両１の運転を支援するための車両制御装置１００は、車両１の目標走行経路Ｒを算出する処理と、車両１の挙動を推定する車両モデルを用いて、所定の制約条件下で目標走行経路Ｒに基づいて補正走行経路Ｒｃを算出すると共に、車両１が補正走行経路Ｒｃを走行するための車両１の制御目標値を算出する処理と、を所定の制御周期毎に繰り返し実行するように構成されており、車両制御装置１００は、補正走行経路Ｒｃを算出する際に、制約条件下において、補正走行経路Ｒｃを評価するための評価関数Ｊを用いて、目標走行経路Ｒに対する補正走行経路Ｒｃの差を最小化するように補正走行経路Ｒｃを算出し、補正走行経路Ｒｃは、所定の予測期間が経過するまでに車両１が通過する複数の予測点Ｐｃを含み、評価関数Ｊは、各予測点Ｐｃの評価値を各予測点Ｐｃに対して設定された重み係数ＣＥ，ＣＣにより重み付けした総和であり、複数の予測点Ｐｃのうち隣接する２つの予測点Ｐｃの時間間隔は、車両１の近位から遠位に向けて増加するように設定されており、各予測点Ｐｃに対して設定された重み係数ＣＥ，ＣＣは、車両１の近位側の予測点Ｐｃの重みよりも車両１の遠位側の予測点Ｐｃの重みの方が小さくなるように設定されている。

このように構成された本実施形態では、車両１の近位側の予測点Ｐｃの重みよりも車両１の遠位側の予測点Ｐｃの重みの方が小さくなるように設定されているので、遠位側の予測点Ｐｃにおける評価値が低く見積もられる。よって、本実施形態では、隣接する２つの予測点Ｐｃの時間間隔が、車両１の近位から遠位に向けて増加するように設定されているが、間隔が広く設定された遠位側の予測点Ｐｃでのずれが、近位側の予測点Ｐｃに与える影響を小さくすることができる。よって、本実施形態では、車両１の近位側での走行安全性及び走行快適性を重視する運転者の運転特性に適合し、且つ運転者に違和感を与えることのない制御目標を算出することができる。

また、本実施形態では、各予測点Ｐｃの重みは、各予測点Ｐｃに対して設定された重み係数ＣＥ，ＣＣにより、車両１が各予測点Ｐｃへ到達するまでの所要時間（設定経過時間ｔ_k）の２乗に反比例するように設定されている。

運転者と物標との距離がｎ倍に広がると、運転者から見て物標の移動速度は１／ｎになるので、運転者が感じる物標の運動エネルギー（すなわち、運転者が物標から受ける刺激量）は１／ｎ²になる。よって、本実施形態では、この特性に基づいて、評価関数Ｊの重み係数ＣＥ，ＣＣが設定されているので、運転者が周囲環境から受ける刺激量に適合した制御目標を算出することができる。

また、本実施形態では、各予測点Ｐｃの重みは、各予測点Ｐｃに対して設定された重み係数ＣＥ，ＣＣにより、車両１が各予測点Ｐｃへ到達するまでの所要時間（設定経過時間ｔ_k）の２乗に反比例する値の常用対数に比例するように設定されている。

運転者と物標との距離がｎ倍に広がると、運転者から見て物標の移動速度は１／ｎになるので、運転者が物標から受ける刺激量は１／ｎ²になる。さらに、フェヒナーの法則によれば、人間に与える心理的な感覚量は、刺激量の常用対数に比例する。よって、本実施形態では、この特性に基づいて、評価関数Ｊの重み係数ＣＥ，ＣＣが設定されているので、運転者の感覚に適合した制御目標を算出することができる。

また、本実施形態では、評価関数Ｊは、各予測点Ｐｃについて、補正走行経路Ｒｃを評価するための評価項ＪＥと、補正走行経路Ｒｃが制約条件を違反すると評価値を低下させる制約項ＪＣと、を含み、各予測点Ｐｃにおいて、制約項ＪＣの重み係数ＣＣは、評価項ＪＥの重み係数ＣＥよりも重みが大きく設定されており、制約項ＪＣの重み係数ＣＣは、車両１の近位側の予測点Ｐｃの重みよりも車両１の遠位側の予測点Ｐｃの重みの方が小さくなるように設定されている。

このように構成された本実施形態では、制約条件に関する評価値を算出するための制約項ＪＣを評価関数Ｊが含んでいる。このため、本実施形態では、無制約化された最適化問題を解くことによって補正走行経路Ｒｃを導き出すことができるため、計算の収束性を向上させることが可能である。また、本実施形態では、遠位側よりも近位側において制約項ＪＣの重みが大きく設定されているので、遠位側で制約条件の違反を抑制するために、近位側で制約条件の違反が生じるような解が算出されることを防止可能である。

また、本実施形態では、車両制御装置１００は、車両１の外部にある障害物３を検知し、障害物３と車両１との間に、障害物３に対する車両１の相対速度の許容上限値Ｖ_limの分布を規定する速度分布領域４０を設定し、この速度分布領域４０内における許容上限値Ｖ_limは障害物３から距離が離れるほど大きくなるように設定され、制約条件は、速度分布領域４０内において、障害物３に対する車両１の相対速度が許容上限値Ｖ_limを超えないことを含む。このように構成された本実施形態では、遠位側よりも近位側において制約項ＪＣの重みが大きく設定されているので、車両１の遠方の障害物３よりも近くの障害物３との位置関係の適正化を優先するという運転者の運転特性に適合するように、制御目標を算出することができる。

１ 車両
３ 障害物
７ 走行路
１０ ＥＣＵ
４０ 速度分布領域
１００ 車両制御装置
Ｐ 目標位置
Ｐｃ 補正目標位置（予測点）
Ｒ 目標走行経路
Ｒｃ 補正走行経路

Claims (5)

1. 車両の運転を支援するための車両制御装置であって、前記車両制御装置は、
   前記車両の目標走行経路を算出する処理と、前記車両の挙動を推定する車両モデルを用いて、所定の制約条件下で前記目標走行経路に基づいて補正走行経路を算出すると共に、前記車両が前記補正走行経路を走行するための前記車両の制御目標値を算出する処理と、を所定の制御周期毎に繰り返し実行するように構成されており、
   前記車両制御装置は、前記補正走行経路を算出する際に、前記制約条件下において、前記補正走行経路を評価するための評価関数を用いて、前記目標走行経路に対する前記補正走行経路の差を最小化するように前記補正走行経路を算出し、
   前記補正走行経路は、所定の予測期間が経過するまでに前記車両が通過する複数の予測点を含み、前記評価関数は、各予測点の評価値を各予測点に対して設定された重み係数により重み付けした総和であり、
   前記複数の予測点のうち隣接する２つの予測点の時間間隔は、前記車両の近位から遠位に向けて増加するように設定されており、各予測点に対して設定された前記重み係数は、前記車両の近位側の予測点の重みよりも前記車両の遠位側の予測点の重みの方が小さくなるように設定されている、車両制御装置。
2. 各予測点の重みは、各予測点に対して設定された前記重み係数により、前記車両が各予測点へ到達するまでの所要時間の２乗に反比例するように設定されている、請求項１に記載の車両制御装置。
3. 各予測点の重みは、各予測点に対して設定された前記重み係数により、前記車両が各予測点へ到達するまでの所要時間の２乗に反比例する値の常用対数に比例するように設定されている、請求項１に記載の車両制御装置。
4. 前記評価関数は、各予測点について、前記補正走行経路を評価するための評価項と、前記補正走行経路が前記制約条件を違反すると前記評価値を低下させる制約項と、を含み、
   各予測点において、前記制約項の前記重み係数は、前記評価項の前記重み係数よりも重みが大きく設定されており、
   前記制約項の前記重み係数は、前記車両の近位側の予測点の重みよりも前記車両の遠位側の予測点の重みの方が小さくなるように設定されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の車両制御装置。
5. 前記車両制御装置は、前記車両の外部にある障害物を検知し、前記障害物と前記車両との間に、前記障害物に対する前記車両の相対速度の許容上限値の分布を規定する速度分布領域を設定し、この速度分布領域内における許容上限値は前記障害物から距離が離れるほど大きくなるように設定され、
   前記制約条件は、前記速度分布領域内において、前記障害物に対する前記車両の相対速度が前記許容上限値を超えないことを含む、請求項４に記載の車両制御装置。

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