JPH0410644B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、ガイドレス（ここにガイドレスと
は電磁誘導方式、光学誘導方式、及び視覚誘導方
式等を使用していないものをいう）で自動運転が
可能な車両の自動運転制御方式に関する。

従来、車両を自動運転させる方法としては、走
行コースに沿つてガイドワイヤ、案内レール、光
学的反射テープ等を敷設しておき、これらを検出
しながら進行させる方法、あるいは電波、光、超
音波等を用いて車両の運行平面内における絶対位
置を検出し、この検出位置情報と走行コースとの
位置偏差に基づき車両を進行行させる方法があ
る。

しかしながら、ガイドワイヤ、案内レール、光
学的反射テープ等を特別に設けることは、コスト
高となるし、電波、光、超音波等の伝搬波を使用
する場合には、環境により伝搬障害が生じ、検出
精度を低下させるおそれがあつた。

また、他の従来の自動運転制御方法としては、
走行コース上に複数の位置を設定し、これらの各
位置毎に位置との姿勢角の変化分をメモリに記憶
しておき、走行時は、前記各位置を目標位置と
し、この目標位置を走行コースに沿つて逐次移動
させ、また、目標位置を仮想ｘ−ｙ平面上の原点
とし、ｙ軸を各点における接線方向と一致させ、
ｙ軸とのなす角を姿勢角とし、そして走行車両の
現在位置及び姿勢角との偏差を逐次求め、この偏
差に応じた車速及び操舵角を算出して車両を走行
させ、姿勢角を零とするようにしながら目標位置
を追尾させるようにした方法がある。しかしこの
方法は、仮想ｘ−ｙ平面が変化（目標位置がひと
つ先へ移動）したとき、新たな仮想ｘ−ｙ平面上
の車体位置と方向を表わす量を求めるための座標
変換を行なわなければならないが、記憶している
データが実Ｘ−Ｙ平面における仮想ｘ−ｙ平面の
原点位置とｙ軸の方向の変化分であるため、座標
変換の計算が複雑となる。また正確な走行をなす
ために、多くの目標位置をとる必要があり、目標
位置と姿勢角を設定するのに手間を要するし、メ
モリ容量を多く要するという欠点があつた。

この発明の目的は、上記従来方法の欠点を解消
し、ガイドレスであり、比較的低コストで実現で
き、しかも制御が簡単であり、メモリ容量を多く
必要としない車両の自動運転方式を提供すること
である。

上記目的を達成するために、この発明の車両の
自動運転制御方式は、走行コースを直線要素と円
弧要素からなるように構成し、各コース要素毎
に、直線要素に対してはｘ軸が直線要素に一致す
るように、また、円弧要素に対してはｙ軸上に円
弧要素の中心点が存在し、かつ円弧要素の始点部
がｘ軸に接するようにｘ−ｙ基準座標軸を想定す
ることによつて、各基準座標軸に対する車体位置
を求めれば各コース要素と車体の位置関係が把握
できるようにしておき、一方、路面に対して固定
的に定められたＸ−Ｙ路面固定座標軸を想定し、
前記各コース要素毎に、その要素に対して想定し
ている前記各基準座標軸の路面固定座標軸に対す
る原点の位置と回転角、各要素が直線要素か円弧
要素かの区別、その要素が円弧要素の場合には円
弧要素の上記基準座標軸に対する中心座標、各要
素の基準座標軸に対する終了位置、各要素を走行
する間の車速指令値、及びこの車速指令を行う基
準座標軸に対する位置を定め、これら各データを
車体が走行するコース要素の順に記憶手段に記憶
しておき、走行中は、車輪の回転数検出手段と操
舵角検出手段で検出される回転数と操舵角より車
体の基準座標軸に対する位置、及び車体と各コー
ス要素の偏差である横変位と姿勢角を検出し、こ
の横変位と姿勢角が零となるように操舵制御する
と共に、各コース要素に対応する前記記憶データ
を読み出し、車体が車速指令位置に達すると、そ
の位置に対応する車速指令値を出力し、車体がコ
ース要素終了位置に達すると読み出したデータを
次のコース要素に対応するものに更新し、現在の
車体位置検出値を固定座標軸を介して次のコース
要素に対応する基準座標軸上に座標変換するよう
にしている。

以下、実施例によりこの発明をさらに詳細に説
明する。

以下に説明する実施例では、予じめ想定する走
行コースに沿つて車体が走行するように、車体自
身が、想定する走行コースに対する自己の位置偏
差（横変位）と方向偏耳（姿勢角）を算出して、
この横変位と姿勢角が零となるように操舵出力す
るとともに、走行コースの所定位置に達すると、
車速指令値を出力し、走行操舵制御を行なう。

予じめ、想定される走行コースは、直線要素と
円弧要素の組合せで構成する。そして各要素ｍ上
に、基準となる座標軸（基準座標軸という）xm
−ymを想定する。この基準座標軸は、コース要
素が直線の場合にはｘ軸をコース要素に一致さ
せ、コース要素が円弧の場合にはｙ軸が円弧の中
心を通り、ｘ軸が円弧と接するようにする。また
各コース要素に固定した基準座標軸とは別に、路
面に固定した座標軸（路面固定座標軸という）Ｘ
−Ｙを想定する。

これら基準座標軸、路面固定座標軸を走行コー
ス例Ｍについて図示すると第１図の通りとなる。
図において、走行コースＭは直線要素ｍ１、円弧
要素ｍ２、直線要素ｍ３からなり、これらコース
要素ｍ１，ｍ２，ｍ３の基準座標軸は、図示のよ
うにｘ１−ｙ１，ｘ２−ｙ２，ｘ３−ｙ３とな
る。

上記基準座標軸に関するデータを走行コースデ
ータとして、予じめ車上制御装置のメモリに記憶
しておく。

記憶するデータとしては 路面固定座標軸に対する各基準座標軸の原点
の位置（Xm，Ym）と回転角Φm、 コース要素ｍが直線か円弧かの区別、 コース要素ｍの終了点（，）、 円弧要素の中心座標（０，y′m）、 車速指令位置およびその指令値 ただしｍ＝１，２，３，…… 次に、運転走行中は、基準座標軸に対する車体
の位置及び方向の計算を行なう。

この車体の位置及び方向の計算は、車上制御装
置で微小単位時間毎にサイクリツクに行なう。す
なわち微小単位時間には、車体の施回中心位置が
変化しないものとし、車体の位置および方向の変
化量を幾何的に求め、順次加算していくことによ
り、現時点における基準座標軸に対する車体の位
置及び方向を計算する。

今、車体が第２図に示すように、固定輪ｗ２
１，ｗ２２と操舵軸ｗ１１，ｗ１２を有する４輪
車であり、固定輪ｗ２１と操舵輪ｗ１２が従動輪
であり、固定輪ｗ２２と操舵輪ｗ１２が駆動輪で
ある場合に、次のいずれかの方法により、車体の
位置及び方向を計算する。

従動輪２輪（ｗ１２，ｗ２１）の回転数と操
舵角の検出値より計算する。

固定輪２輪（ｗ２１，ｗ２２）の回転数より
計算する。

ここでは上記式の方法ついて詳しく説明す
る。

なお、の方法は、後述する(1)式において△θ_i
が △θ_i＝2πr（P_22i−P_21i）／（PW）と変わるだけで
あるので詳細な説明を省略する。ここで、P_21iと
は、車輪ｗ２２の微少単位時間におけるエンコー
ダの回転パルス数である。

なお計算にあたつては第３図に示すように、車
体の施回中心位置は、操舵側の駆動輪ｗ１１の軸
線と、固定輪ｗ２１，ｗ２２の軸線の交点Ｐであ
るし、車体の位置をあらわす点（車体代表点）を
固定輪ｗ２１，ｗ２２の軸線と、車体中心線の交
点Ｂとして計算する。

（xi−１，yi−１）：微少単位時間経過前の車
体位置 （xi，yi）：微小単位時間経過後の車体位置 θ_i-1：微小単位時間経過前の車体方向 θi：微小単位時間経過後の車体方向 △xi，△yi：微小単位時間における車体位置の
変化量 △θi：微小単位時間における車体方向の変化量 Φi：微小単位時間における操舵角（ポテンシ
ヨメータ検出車） Ｗ：車体のトレツド、 Ｌ：車体のホイールベ
ース、 Ｃ：車輪オフセツト量、 ｒ：車輪有効半径、 △li：微小単位時間における車体の移動距離 Ｐ：車輪回転数検出用エンコーダ１回転当りの
パルス数 P12i＋P21i：車輪ｗ１２，ｗ２１の微小単位時
間におけるエンコーダの回転パル
ス数 とすると、 微小単位時間経過後の車体位置（xi，yi）及び
車体方向は次式より算出できる。

上記(1)式より各微小単位時間経過毎の車体の位
置及び方向が計算できるが、走行の進行にともな
い、コース要素が変化すると、基準座標軸も変化
するので、コース要素の変更点で上記(1)式により
算出した車体の位置および方向を新たな基準座標
軸上に変換する必要がある。

次に、その座標変換方法について説明する。

この実施例では、基準座標軸xm−１−ym−１
から、xm−ymに座標変換を行なうのに、直接基
準座標軸xm−１−ym−１からxm−ymに変換す
るのではなく、基準座標軸xm−１−ym−１から
路面固定座標Ｘ−Ｙへ座標変換した後、基準座標
軸xm−ymに座標変換するようにしている。この
ようにすると、座標変換のためにメモリに記憶し
ておくデータが路面固定座標軸Ｘ−Ｙに対する基
準座標軸原点の位置（X_n-1、Y_n-1）、（X_n、Y_n）
と回転角Φm−１、Φmであるため、基準座標軸
xm−1ym−１から直接xm−ymへ変換する場合
に必要となるxm−１−ym−１に対するxm−ym
の原点の位置と回転角に比べてデータの作成が容
易なためである。

（Xm−１、Ym−１） （Xm、Ym）：路面固定座標軸Ｘ−Ｙに対する基準座標軸 xm−１−ym−１、xm−ymの原点位置 Φm−１ Φm−１ Φm：路面固定座標軸Ｘ−Ｙに対する基準座標軸xm−１
−ym−１、xm−ymの回転角 （xm−１、ym−１） （xm−１、ym−１） （xm、ym）：座標変換時の基準座標軸xm−１−ym−１、
xm−ymに対する車体位置 （Ｘ、Ｙ）：座標変換時の路面固定座標軸Ｘ−Ｙに
対する車体位置、 θm−１ θm−１ θm：座標変換時の基準座標軸xm−１−ym−１、xm、ym
に対する車体の方向、 β：座標変換時の路面固定座標軸Ｘ−Ｙに対する車
体の方向 とすると、 次式により、車体の位置及び方向を、先ず基準
座標軸xm−１−ym−１から、路面固定座標軸Ｘ
−Ｙに変換する。

Ｘ＝xm−１・cos（−Φm−１）＋ym−１・sin
（−Φm−１）＋Xm−１ Ｘ＝xm−１・cos（−Φm−１）＋ym−１・sin
（−Φm−１）＋Xm−１ Ｙ＝ym−１・cos（−Φm−１）−xm−１・sin（−Φm−
１）＋Ym−１ β−θm−１＋Φm−１ …(2) 次に、次式より路面固定座標軸Ｘ−Ｙから基準
座標軸xm−ym上へ変換する。

xm＝（Ｘ−Xm）・cosΦm＋（Ｙ−Ym）・sinΦm ym＝（Ｙ−Ym）・cosΦm−（Ｘ−Xm）・sinΦm θm＝β−Φm …(3) なお、上記座標変換を行なうタイミングすなわ
ち、コース要素がｍ−１からｍへ変化し、基準座
標軸xm−１−ym−１からxm−ymへ座標変換を
行なう場合の条件は、以下のようにして決められ
る。

コース要素ｍ−１が直線の場合、 記憶しているコース要素ｍ−１の終了点の基準
座標軸に対する位置−１と車体位置xm−１を
比較し、 xm−１≧−１ …(4) となれば、新たな基準座標軸xm−ymへ座標変換
する。

コース要素ｍ−１が円弧の場合、 記憶しているコース要素ｍ−１の終了点と円弧
中心の基準座標軸xm−１−ym−１に対する位置
（−１、−１）、ym′−１と車体位置（xm
−１、ym−１）より、 tan^-1｜xm−１／ym′−１−ym−１｜≧tan^-1｜ xm−１／ym′−１−ym−１｜ …(5) を満足すれば、基準座標軸xm−ymに座標変換す
る。

以上のようにして、各微小単位時間毎に、基準
座標軸に対する車体位置及び方向が算出される
と、この車体位置及び方向に基づいて、走行コー
スに対する車体の位置偏差（横変位）と方向偏差
（姿勢角）が算出可能となる。

次に、その走行コースに対する車体の横変位ｌ
と姿勢角ψの算出方法について説明する。

コース要素が直線の場合 コース要素ｍが第４図に示すように、直線であ
り、車体の代表点Ｂが基準座標軸ｘ−ｙに対し
（ｘ、ｙ）に位置し、方向角θであると、 横変位ｌ及び姿勢角ψは ＝ｙ ψ＝θ (6) より求めることができる。

コース要素が円弧の場合 コース要素ｍが第５図に示すように円弧であ
り、車体の代表点Ｂが基準座標軸ｘ−ｙに対し
（ｘ、ｙ）に位置し、円弧の中心点（０、y′）と、
車体の代表点Ｂを結ぶ線上でコース要素と交叉す
る点の接線とｘ軸とのなす角をβ、車体の方向角
をθとすると、横変位及び姿勢角ψは より求めることができる。

さて、予じめ定めた走行コースＭ上を理想的に
自動運転するには、走行中、横変位ｌ及び姿勢角
ψを０にもつていく必要がある。そこで第６図の
制御ブロツク図に示すように、(6)(7)式で計算され
た横変位ｌと姿勢角ψはゲイン調整器でゲイン調
整され、その合成量ｅ＝Ｇ・＋Gψ・ψがフ
イードバツクされる。そして、目標値ｅ＝０とこ
の合成量ｅの偏差を操舵出力とするとともに、補
償要素として操舵角をフイードバツクして操舵
出力に加えている。操舵出力Ｅはパワーアンプに
加えられ、その出力でステアリングモータを駆動
し、操舵制御を行なう。なおコース要素が直線
で、車体がコース上にあれば、横変位ｌと姿勢角
の合成量は零であり、操舵角が零で、車体は
直進してコース上を進行するが、コース要素が円
弧で車体がコース上にある場合には、操舵角が
零で車体が直進するとすぐにコースからずれてし
まうことになるので、コース要素が円弧の場合に
は、その円弧の半径に応じた操舵角オフセツト量
₀を計算し、G（−₀）を操作出力にフイード
バツクするようにしている。結局、操舵出力値Ｅ
は次式で算出される。

Ｅ＝−Gl・ｌ−Gψ・ψ−G（−₀）…(8) ただし Gl：横変位フイードバツクゲイン、 Gψ：姿勢角フイードバツクゲイン、 G：操舵角フイードバツクゲイン、 第７図は、この発明を実施するための自動運転
制御システムを示すブロツク図である。同図にお
いて、車体上に設けられる車上制御装置１１に
は、設定部１２、演算制御部１３及びメモリ１４
が備えられている。

設定部１２は、走行コースの各コース要素毎の
データや運転制御すべき車体の諸定数を予じめ入
力設定するようになつている。メモリ１４は設定
部１２より入力される走行コース、車体等の各種
データの他、走行運転中の演算値等を記憶する。

演算制御部１３は、メモリ１４に記憶される各
種データや後述する車体より検出される操舵角、
車輪回転数を受け、所定のプログラムにしたがい
各種演算を行ない、走行コースに沿つて所定の速
度で車体を進行させるため、操舵出力、車速出力
を導出するようになつている。

車体１５には操舵角を検出するためのポテンシ
ヨメータ１６と、車輪の回転数を検出するための
エンコーダ１７が設けられ、これらポテンシヨメ
ータ１６、エンコーダ１７よりの操舵角及び車輪
回転数を示す信号は、車上制御装置１１の演算制
御部１２に取込まれるようになつている。

次に、この自動運転制御システムの走行中の全
体動作を第８図に示すフロー図を参照して説明す
る。

車体を定点からスタートさせる場合には、定点
におけるコース要素の番号と、定点で車体がある
べき基準座標軸上の位置および方向のデータを予
じめ記憶してあるので、車体をそれに合わせて設
置してスタートさせる。任意の位置でスタートさ
せる場合には、スタート点データとしてその位置
の上記コース要素番号等のデータを設定部１２の
テンキー等で入力してスタートさせる。

動作スタート後、先ずポテンシヨメータ１６よ
りの操舵角iと、エンコーダ１７よりの車輪回転
数P₁₂i，P₂₁iを読込む（ステツプST１）。続いて、
上記操舵角i、車輪回転数P₁₂i，P₂₁i、予じめメ
モリ１４に記憶されている定数、前回演算時の車
体位置、車体方向等より上記(1)の演算を行ない、
車体の位置（xi，yi）及び方向θiを算出する（ス
テツプST２）。次に検出した車体位置より、上記
(4)式あるいは(5)式の演算を行ない、現在の車体位
置がコース要素の変化地点に達したか否かを判定
し（ステツプST３）、コース要素の変化地点に達
している、上記(2)式、(3)式の演算を実行し座標変
換を行なう（ステツプST４）。

座標変換後、あるいは、ステツプST３のコー
ス要素変化NOの判定に続き、その地点での車速
指令に基づき車速出力を行なう（ステツプST
５）。

次に、メモリ１４に記憶されている現在走行中
のコース要素データを参照し、コース要素が直線
か円弧かを判定する（ステツプST６）。判定の結
果、コース要素が直線の場合は上記(6)式により、
直線コースにおける車体の横変位ｌと姿勢角を
計算する（ステツプST７）。またコース要素が円
弧の場合は上記(7)式により、円弧コースにおける
車体の横変位ｌと姿勢角を計算する（ステツプ
ST８）。続いてコース要素が円弧である場合に
は、円弧半径に応じた操舵角オフセツト量₀を
計算する（ステツプST９）。そして、算出した横
変位、姿勢角の合成量を０とする操舵出力値を計
算し、出力する（ステツプST１０，ST１１）。
最後に運転終了か否かを判定し（ステツプST１
２）、終了でなければスタートにリターンする。
そして以後、運転終了に至るまで、ステツプST
１からステツプST１２までの一連の処理を微小
単位時間毎に繰返し行なう。以上の制御を行なう
ことにより、車体は、予じめ想定した走行コース
上を追尾して進行する。

この発明によれば、ガイドレスで進行できるこ
ともちろん、操舵制御が横変位と姿勢角のフイー
ドバツク制御なので、外乱に対しても走行コース
の追従性は良好である。

また、直線のコース要素と円弧のコース要素の
組合せで、種々の走行コースを作ることができ
る。さらにメモリに予じめ記憶しておく走行コー
スに関するデータは、コース要素毎のものでよい
ので、演算処理が簡単となるとともに、コースを
記憶させるためのデータ入力が簡単容易であり、
また記憶のためのメモリ容量が比較的小さくてよ
いという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を走行コースを示
す図、第２図は車体の固定輪及び操舵輪を示す
図、第３図は車体の施回中心を説明するための
図、第４図は直線のコース要素の横変位、及び姿
勢角の算出を説明するための図、第５図は円弧の
コース要素の横変位及び姿勢角の算出を説明する
ための図、第６図は、操舵制御を説明するための
制御ブロツク図、第７図はこの発明を実施するた
めの自動運転制御システムのブロツク図、第８図
は同自動運転制御システムの動作を説明するため
のフロー図である。 Ｍ：走行コース、ｍ１，ｍ２，ｍ３：コース要
素、ｘ１−ｙ１・ｘ２−ｙ２・ｘ３ｙ３：基準座
標軸、Ｘ−Ｙ：路面固定座標軸、１３：演算制御
部、１４：メモリ、１６：ポテンシヨメータ、１
７：エンコーダ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 走行コースを直線要素と円弧要素からなるよ
   うに構成し、 各コース要素毎に、直線要素に対してはｘ軸が
   直線要素に一致するように、また、円弧要素に対
   してはｙ軸上に円弧要素の中心点が存在し、かつ
   円弧要素の始点部がｘ軸に接するようにｘ−ｙ基
   準座標軸を想定することによつて、各基準座標軸
   に対する車体位置を求めれば各コース要素と車体
   の位置関係が把握できるようにしておき、 一方、路面に対して固定的に定められたＸ−Ｙ
   路面固定座標軸を想定し、 前記各コース要素毎に、その要素に対して想定
   している前記各基準座標軸の路面固定座標軸に対
   する原点の位置と回転角、各要素が直線要素か円
   弧要素かの区別、その要素が円弧要素の場合には
   円弧要素の上記基準座標軸に対する中心座標、各
   要素の基準座標軸に対する終了位置、各要素を走
   行する間の車速指令値、及びこの車速指令を行う
   基準座標軸に対する位置を定め、これら各データ
   を車体が走行するコース要素の順に記憶手段に記
   憶しておき、 走行中は、車輪の回転数検出手段と操舵角検出
   手段で検出される回転数と操舵角より車体の基準
   座標軸に対する位置、及び車体と各コース要素の
   偏差である横変位と姿勢角を検出し、この横変位
   と姿勢角が零となるように操舵制御すると共に、 各コース要素に対応する前記記憶データを読み
   出し、車体が車速指令位置に達すると、その位置
   に対応する車速指令値を出力し、 車体がコース要素終了位置に達すると読み出し
   たデータを次のコース要素に対応するものに更新
   し、現在の車体位置検出値を固定座標軸を介して
   次のコース要素に対応する基準座標軸上に座標変
   換するようにした車両の自動運転制御方式。