WO2017183486A1

WO2017183486A1 - 走行制御装置

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Publication number: WO2017183486A1
Application number: PCT/JP2017/014480
Authority: WO
Inventors: 悠基秋山; 絢也高橋; 敏之印南; 佐藤　誠一
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2017-10-26
Also published as: JP6655455B2; JP2017193189A

Abstract

人間の運転者による運転では、既定の走行軌道に対する厳密な軌道追従制御がなされるわけではなく、この先に走行したいおおよその軌道と加減速の程度を常に想定しながら、車両の横運動と前後運動を同時に制御していると考えられる。そのため、単に道路形状に沿った軌道追従による自動運転では、加減速を伴う場合にスムーズな運動を実現する方法が明らかでなく、加減速を考慮した走行軌道の生成と加減速制御の方法が課題である。そこで本発明は、運転者の操作に依存しない制御による操舵を行う操舵装置を備え、自動運転機能もしくは運転支援機能を有する車両において、走行制御装置によって、車両の走行距離に対して曲率が単調に変化する曲率変化区間に変曲点を有する軌道となるように車両の走行制御をするようにした。

Description

走行制御装置

本発明は自動車の走行を制御する走行制御装置に関する。

　自動車における先進運転支援システム（Advanced Driving Assistant System: 以下、ADASと称す）及び自動運転関連技術の開発が、近年、急速に進められている。

　進行方向に対して横方向への移動\を伴う場合の例として、カーブ区間を走行する場合について説明する。

　図１は、カーブ区間を含む典型的な道路の形状の一部を示したものである。一般に、道路のカーブ形状はクロソイド曲線と円弧の組み合わせで設計されている。円弧は、曲率が一定であり、走行距離に対する曲率の変化率がゼロである。クロソイド曲線は、曲率が連続的に変化し、走行距離に対する曲率の変化率が一定である。円弧区間の前後に曲率が単調増加する区間と単調減少する区間があり、この曲率が単調変化する区間は緩和曲線と呼ばれる。ここで、直線と円弧とを直接繋ぐと、その接続点で曲率が0からある一定値に不連続に変化してしまう。仮に曲率が不連続だと、理論上、操舵角を不連続にしないと追従できないので、ドライバへの違和感や、操舵が足りずに車線を逸脱する虞があることから、通常、道路には緩和曲線の区間が設けられている。

　ADASや自動運転関連技術として、自車両の走行軌跡を算出し、その軌跡に沿って自車両を駆動する技術がある。特に、進行方向に対して横方向に移動する制御を行うカーブや車線変更に関する技術が開発されている。このような技術として、例えば特許文献１に記載されている技術がある。

　特許文献１には、運転者に作用する横方向加速度を低減するために、自分のレーンにおいて十分に幅の広いカーブを走行する際に、カーブカットを行うカット軌跡を求め、カット軌跡に沿って車両を制御することが開示されている。

特表２０１３－５１３１４９

　特許文献１に記載のカット軌跡は、クロソイド軌跡（曲率直線増加）および円弧軌跡（曲率一定）で生成されている。従来、人が運転する場合においては、曲率緩和区間としてクロソイド曲線を用いることが望ましいと考えられてきており、自動車側のシステムが、進行方向に対して横方向に移動する運転の制御を行う場合であっても、特許文献１に記載のようにクロソイド曲線に対応した軌跡を用いている。

　一般的に、車道におけるカーブは、直線－クロソイド曲線－円弧－クロソイド曲線－直線の順で繋ぐようにすることで、曲率の不連続点が生じないように設計されている。

　ここで、クロソイド曲線で形成された道路は、速度一定で走行することを前提として設計されている。しかしながら、近年、乗り心地性向上や、操舵性能の向上を目的とし、速度一定でカーブを走行するのではなく、カーブ走行中に加減速を加えて走行している。そのため、必ずしもクロソイド軌道が最適ではない場合が発生する。

　本筆者らの鋭意検討の結果、自動車側のシステムが運転の制御を行う場合、従来のようにクロソイド軌跡と曲率一定区間を接続した場合、クロソイド軌跡と曲率一定区間との間に曲率の不連続となる箇所が発生することにより、横方向の加速度変化にも不連続となる箇所が発生し、その結果ドライバに違和感を与えることを新たに見出した。

　すなわち、従来の道路設計思想に基づく、曲率がゼロで一定である直線軌道と、クロソイド曲線を描くクロソイド軌道と、所定の曲率である一定曲率軌道とを結ぶ軌道で走行する場合、曲率は連続的であるため、横方向の加速度は連続的に変化するが、曲率の変化率に不連続箇所が発生してしまう。曲率の変化率と横方向の加加速度は相関関係にあるため、横方向の加加速度が不連続となる箇所が発生する。この不連続がドライバに違和感を与えてしまう。特に、カーブ走行中に加減速を加えて走行する場合に、ドライバに与える違和感がこの不連続箇所の存在により発生してしまう。

　本願発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、乗員の快適性が保たれる自動車の走行を制御する走行制御装置を提供することにある。

　そこで、本願に係る発明は、進行方向に対して横方向への移動を伴う場合には、移動距離に対する曲率の微分値（言い換えると、曲率の変化率）が連続となる軌道を走行するように車両を制御する。

　すなわち、本願発明の走行制御装置は、進行方向に対して横方向への移動を伴う場合に、曲率単調変化軌道と曲率一定軌道とが曲率の変化率において連続している軌道を走行するように車両を制御する。

　本発明によれば、横方向の加速度ベクトルが弧状に遷移し、乗員の快適性が保たれる自動運転を実現できる。

　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

カーブ区間を含む道路の形状の一部を示した図である。道路のカーブ形状の上面図と曲率変化特性を示した図である。横加加速度に応じた前後加速度で走行した際の前後加速度と横加速度を示した図である。図３の条件における加速度ベクトルの大きさの遷移を示した図である。カーブの序盤で減速を終える場合の前後加速度と横加速度を示した図である。図５の条件における加速度ベクトルの大きさの遷移を示した図である。道路の形状を、曲率変化の特徴に基づく区間に区切った図である。図７の道路形状に対して、異なる形状の緩和曲線を当てはめ直した図である。軌道上の走行距離に対する曲率の変化を示した図である。道路の形状を、曲率変化の特徴に基づく区間に区切った図である。曲率が増減する頻度を減らすように、区間を当てはめ直した図である。軌道上の走行距離に対する曲率の変化を示した図である。円弧と直線との位置関係と、緩和曲線に用いる関数を、局所座標系で描いた図である。直線からカーブに入っていく場合の車両の向きを示した図である。カーブから直線に抜けていく場合の車両の向きを示した図である。具体的な条件に基づいて計算した軌道の例を示した図である。図１６の軌道を、横加加速度に応じた前後加速度で走行した際の前後加速度と横加速度を示した図である。図１７の条件における加速度ベクトルの大きさの遷移を示した図である。台形状の前後加速度プロファイルで走行した際の前後加速度と横加速度を示した図である。図１９の条件における加速度ベクトルの大きさの遷移を示した図である。軌道生成装置の入出力を示した図である。軌道生成装置が道路形状から軌道を生成する処理を示したフローチャートである。広域の軌道をまとめて生成、保持する場合の構成を示した図である。制御対象の車両が備える各種の装置とシステム構成を示した図である。走行制御装置の処理構成を示した図である。軌道生成部において軌道を再生成する処理を示したフローチャートである。横運動と前後運動の連携制御ができない場合の通知処理を示したフローチャートである。

　以下に、本発明の実施例を説明する。

　本実施例について、図面を用いて説明する。

　具体的には、直線軌道とクロソイド軌道を直接接続するのでなく、間に多次関数からなる軌道を介在させる。同様に、クロソイド軌道と一定曲率軌道とを直接接続するのでなく、間に多次関数からなる軌道を介在させる。このようにすることで、クロソイド軌道と曲率が一定となる直線軌道、並びに、クロソイド軌道と曲率が一定となる一定曲率軌道とでの曲率の変化率の不連続点がなくなる。

　また、緩和曲線としての軌道を、クロソイド軌道に変えて、変曲点を有して単調変化する軌道としても、同様に曲率の不連続点をなくすことができる。この場合、直線軌道から一定曲率軌道となる間に介在する場合には単調増加となる軌道を、一定曲率軌道から直線軌道となる間に介在する場合には単調減少となる軌道とする。

　言い換えると、ある一定曲率軌道（直線）からある一定曲率軌道（カーブ）の間に介在する緩和曲線軌道が、滑らかに一定曲率軌道同士を接続するために、変曲部を有している。
この変曲部は、点でもよいし、線でもよい。

　本実施例では、曲率の変化率の不連続をなくすように軌道を生成し、係る軌道に基づき車両を制御しているので、横加加速度の不連続を解消し、乗り心地性を向上することが可能となる。

　次に、横運動と前後運動の連携を行う場合について述べる。

　カーブや車線変更等、車両が前後方向に加えて横方向にも移動する場合、前後方向の加速度と横方向の加速度を制御し、乗り心地性と操舵安定性を向上させるG-Vectoring Control(以下、G-VECTORING制御)という技術が提案されている。G-VECTORING制御では、前後加速度と横加速度が合成された加速度ベクトルの遷移が、円を描くG-Gダイアグラムとなるように、横加速度に基づき、前後加速度を制御する。基本的なG-VECTORING制御の適用形態は、車両の横運動によって生じる横加速度の時間変化率である横加加速度の入力にゲインを乗算した値を前後加速度として出力し、それに従って前後運動を制御するというものである。横加速度は速度と走行する軌道の曲率で決まるので、横加加速度は曲率の時間変化に対応し、結果として速度が軌道の曲率の時間変化に基づいて制御される。

　まず、G-VECTORING制御に従って横加加速度に応じた加減速を行うことで、任意の軌道に対し、初速を与えれば速度プロファイル及び加速度プロファイルが一意に定まることについて説明する。ここで、速度プロファイルとは、走行距離に対する速度の推移、もしくは時間に対する速度の推移を指し、加速度プロファイルとは、走行距離に対する加速度の推移、もしくは時間に対する加速度の推移を指す。

　G-VECTORING制御の基本的な制御則は、加速側と減速側とで対称性があるので、どちらか一方で扱えば他方は符号を反転させれば良い。例えば減速側で扱うこととすると、前後加速度をGx, 横加速度をGy, G-VECTORING制御ゲインをCxyとして、

と表される。

　両辺を積分して、速度Vの関係式として表現すると、初速をViとして、

となる。

　ここで、曲率κと横加速度Gyと速度Vの関係は、

である。

　数２と数３から、速度Vと曲率κの関係は、

となる。

　κは車両が走行している位置での曲率なので、時間の関数であることに注意して上記を微分すると、

となり、G-VECTORING制御による減速度の走行軌道の形状による表現が得られる。

　加速側も同様に計算でき、軌道上の任意の位置における速度が求まるので、同じく軌道上の各位置における前後加速度と横加速度の双方が求まる。したがって、任意の軌道と初速に対する加速度ベクトルの遷移を、前後加速度Gxを横軸、横加速度Gyを縦軸にとって、G-Gダイアグラムを描くことができる。

　なお、数５において、∂κ/∂xが全体に乗算されていることは、軌道上で曲率が一定の区間、つまり曲率が0で一定の直線区間と、曲率がゼロでない所定ので一定の円周の一部を構成する形状の区間では、∂κ/∂x=0であり、横加速度が変化せず、横加加速度が0であるので、加減速は行われずに一定の速度で走行することを意味している。

　また、数４の分子では曲率κが平方根の中に入っているのに対し、分母では曲率κが一次の項であることから、軌道上の走行に伴って曲率が増加していく状況では減速することが読み取れる。一方、曲率が減少していく状況では加速する。したがって、曲率が増減しなければ、前後加速度の符号は変化しない。また、曲率の符号が変化しなければ横加速度の符号は変化しない。

　そこで、軌道を構成する要素の最小単位として、前後加速度の符号も横加速度の符号も変化せずにG-Gダイアグラムが1つの象限に収まる範囲である、左右いずれかのカーブの曲率が単調増加もしくは単調減少する区間に着目する。

　図２は、クロソイド曲線と円弧とを接続して設計された道路のカーブ形状の上面図と、そのカーブ形状に沿った軌道上の走行距離Lに対する曲率変化の特性を示したものである。点線で表した半径50[m]、つまり曲率κ0.02[1/m]の円弧に接続するために、80[m]のクロソイド曲線の区間を設けおり、クロソイド曲線を走行し始めてから100[m]までの範囲が、実線でグラフに示されている。

　図３は、図２のカーブ形状をG-VECTORING制御に従って走行した場合の速度Vと前後加速度Gxと横加速度Gyを、数４及び数５に基づいて計算した結果と、それを元に描いたG-Gダイアグラムである。G-VECTORING制御によって加減速が制御される車両で、直線とクロソイド曲線とが直接接続される道路をその形状どおりに走行場合を考える。上述の通り、直線からクロソイド曲線に進入する点で車両の横加加速度が不連続となることから、減速度指令が理論上は無限大となり、過大な減速度が生じて、G-Gダイアグラムが尖った形状となる。これは、直線区間から予見的に減速する制御が重畳されていたとしても同様である。

　さらに、クロソイド曲線から円弧に接続される点でも横加加速度が不連続であるため、減速度指令が瞬時に0になり、この点でもG-Gダイアグラムが尖った形状となる。

　ここで、好ましいG-Gダイアグラムの形状について、加速度ベクトルの大きさの遷移という観点からの説明を加える。

　図４に、図２のカーブ形状をG-VECTORING制御に従って走行したときの加速度ベクトルの大きさ|G|の遷移を示す。加速度ベクトルの大きさが減速によって一旦増加し、その後、減速度が減少するときに横加速度が増加しないことによって、図３に示したようにG-Gダイアグラムには尖った箇所が生じる。さらにその後で横加速度が増加するので加速度ベクトルの大きさの遷移としては極小値が生じることになる。

　図５に、同じカーブ形状に対してG-VECTORING制御とは無関係に減速を行い、カーブの序盤で減速を終える場合の前後加速度Gxと横加速度Gyを示し、図６に、その際の加速度ベクトルの大きさ|G|の遷移を示す。この場合もやはり、前後加速度と横加速度が繋がらないことによって加速度ベクトルの大きさが極小値を持ち、G-Gダイアグラムを尖った形状にしている。上記いずれの場合も、加速度の大きさの変化によって、車両内に着座している乗員に対して上半身及び頭部を振られるような感覚を与えることになる。

　よって、加速度ベクトルの大きさが極小値を持たないようにすれば、一旦増加した加速度ベクトルの大きさが、円弧を定速で走行する加速度ベクトルの大きさになるまで単調に減少するので、G-Gダイアグラムが概ね弧状になり、乗員の快適性が保たれると言える。

　G-Gダイアグラムの尖りを抑えるには、減速度指令に一時遅れ要素を追加し、その時定数を必要な程度だけ大きくするという方法もあるが、軌道は変わらないにもかかわらず遅れを付加する分だけ旋回に対して減速が遅れるため、乗員に不安感を与える恐れがある。

　したがって、一般の道路形状に沿った軌道は前後運動と横運動の連携に適さないと言え、G-VECTORING制御を活用するには、軌道自体を、G-Gダイアグラムが弧状に遷移するように生成することが望ましい。

　以降、そのような軌道の生成方法について説明する。

　車両は道路上を走行する必要があるので、軌道の生成にあたって前提条件を設ける必要がある。

　図７は、曲がりを有する道路形状を、曲率の変化特性に応じた区間に区切ったものである。実線は車線の中心を走行する軌道を表し、車線の幅は省略している。任意の道路形状は、直線区間と、曲率が単調変化する区間と、曲率が0でない一定の円弧区間とを曲率が連続するように接続したものとして表現することができる。

　よりスムーズな走行を目指すにあたっては、軌道の緩和曲線の区間を必ずしも道路の設計上の緩和曲線に従って設定する必要はないので、軌道生成の前処理として、道路のどの区間を軌道の緩和曲線に割り当てるか区分する。

　図８は、図７の道路形状に対して、曲率の変化率に不連続点が生じないように生成し直した車両の走行軌道を示す。

　図８に示す軌道は、車両の走行軌道における直線区間の曲率を実際の道路の直線区間の曲率と同じくし、車両の走行軌道における直線区間の曲率を実際の道路の直線区間の曲率と同じくし、車両の走行軌道における緩和曲線区間を実際の道路の緩和曲線区間とは異なるようにしている。

　この場合、図８に示す自車両の走行軌道における直線区間と緩和曲線区間とが接続する位置は、図７に示す実際の道路における直線区間と緩和曲線区間とが接続する位置とは異なっている。同様に、自車両の走行軌道における緩和曲線区間と円弧区間とが接続する位置は、実際の道路における緩和曲線区間と円弧区間とが接続する位置とは異なっている。

　図９は、図７の軌道と図８の軌道における軌道上の走行距離と軌道の曲率の関係および軌道上の走行距離と軌道の曲率の変化率を示したグラフである。図９において、破線で示した図８の軌道の曲率変化は、実線で示した図７の軌道の曲率変化に対して滑らかになっており、道路形状と軌道の誤差を許容することで、実際の道路形状と車両が走行する軌道との曲率の変化特性を変えている。図９から明らかなように、本発明では、曲率の変化率が連続的に変化するような軌道で自車両を走行させていることから、横加加速度も連続的に印加されるようにされており、不連続な横加加速度に起因する違和感を低減することが可能となる。図９では、曲率の変化率が三角波となる例を挙げているが、ガウス曲線や、サイン逓減等の形状でもよい。係る場合において共通する事項は、曲率緩和区間と一定区間との間で、曲率の変化率が連続的に変化していること、また、曲率緩和区間において、曲率の変化率が変極点を有している点が挙げられる。

　次に、２箇所の円弧区間をまとめて扱えることについて説明する。

　図１０は、二つのカーブとその前後の道路の形状を、図７と同様に曲率の変化特性に応じた区間に区切ったものである。対して図１１は、車両の全幅に対する車線の幅の余裕を活用して、図１０と同一の道路形状について曲率が増減する頻度を減らし、なおかつ曲率の変化が滑らかとなるように、各区間を当てはめ直したものである。円弧区間を１箇所にするため、車線の中心を表す破線に対して、軌道を表す実線をややずらしている。道路形状に対する誤差を許容しつつ、概ね直線とみなせる区間と概ね円弧とみなせる区間をまず当てはめ、それらの間に曲率が滑らかに単調変化する緩和曲線を生成して接続する。図１２は、図１０の軌道と図１１の軌道における曲率の変化を示したグラフである。下のグラフでは曲率の増加が一度にとどめられており、近似的に粗く分割した区間に対して緩和曲線を生成すれば、よりスムーズな軌道が得られることを意味する。
逆に、必要に応じて、曲率が単調変化する一区間をさらに分割して複数の円弧区間を当てはめることもできる。例えば最も極端な想定として、車線の幅の余裕が全くなく、なおかつ定式化された緩和曲線を当てはめられない場合には、軌道上の各位置の曲率を持つ無限個の円弧で近似されることになる。ただし実際には多少なりとも車線の幅の余裕があるので、いずれも有限個の、直線区間と、任意の方程式で定式化された緩和曲線区間と、円弧区間と、で軌道を表現できることは保証される。

　このように、車線幅の情報を含む道路の形状に基づいて、軌道を区分する。

　次に、直線区間と円弧区間とを繋ぎ、曲率が単調変化する緩和曲線区間の具体的な軌道生成方法について述べる。汎用性を持たせるため、円弧区間の曲率と、その円弧と直線との相対的な位置関係に基づいて緩和曲線を定められるようにする。

　まず、絶対座標系で表された地図情報に基づいて、曲率が単調変化する区間で接続される直線区間と円弧区間の組を抽出する。このとき、曲率が増減する頻度を減らすようにする例を、前述の図１１で示した。これに基づいて、円弧の中心と直線との距離d、及び円弧の曲率κcが定まる。なお、直線は必ず円弧の外側に位置しないと両者を単調変化する曲率で接続できないため、直線と円弧の中心との距離dは、円弧の半径1/κc以上となる。
ここで、緩和曲線の形状を定めるにあたっては、円弧と直線との相対的な位置関係のみが意味を持つので、取り扱い易いように設定した局所座標系に変換する。

　図１３は、点線で示す円弧と破線で示す直線との位置関係を局所座標系として設定したx-y平面上に描き、それらに重ねて、円弧と直線とを繋ぐ緩和曲線に用いる後述の関数を実線で描いたものである。緩和曲線に用いる関数の定義域はx軸全域であるが、円弧との接続点と直線との接続点との間の区間を本軌道における緩和曲線として使用する。この局所座標系において、円弧は、曲率κcで、原点を通り、y軸上かつyが正の座標に中心を持つように置く。

　図１４と図１５は、図１３に基づいて円弧と緩和曲線と直線とで構成された軌道を描いたものである。図１４は直線から減速しながら右カーブに入っていく場合の車両の向きを示したものであり、図１５は、同じ軌道を逆に辿り、左カーブから加速しながら直線に抜けていく場合の車両の向きを示したものである。カーブの左右と、加速側と減速側は対称に扱えるので、いずれの場合も緩和曲線は局所座標系の第1象限において取り扱う。

　このとき、円弧の方程式は、

となる。

　直線は0以上の傾きmを持ち、y切片nが0以下となるように置く。

　したがって、直線の方程式は、

となる。

　その上で、円弧と緩和曲線との接続点が原点となるような緩和曲線を求める。接続点を原点とするのは、緩和曲線をxの関数として表す場合に、円弧との接続点における曲率と曲率の変化率の計算を容易にするためである。このように局所座標系では円弧と緩和曲線との接続点の座標を予め固定するが、直線の傾きmは未知数とする。絶対座標系においてある傾きを持つ直線の、局所座標系における傾きを未知数とすることは、絶対座標系から局所座標系への座標変換の回転角度が未知数であることを意味する。したがって絶対座標系では円弧と緩和曲線との接続点の座標は求めるべき未知数であり、一般性を失わない。
また、緩和曲線と直線との接続点の座標も未知数となる。

　なお、d=1/κcの場合は、円弧と直線が原点で接するので、両者を緩和曲線でつなぐ余地はなく、直線と円弧が直接接続される軌道となる。ただし、これは元々の道路形状に緩和曲線区間がなく、なおかつ車線幅の余裕が皆無である場合に限られるので、現実的にはd>1/κcとして、軌道に緩和曲線区間を設けることができる。

　以上を前提として、求める緩和曲線の必要条件を挙げる。

　直線との接続点と、円弧との接続点のいずれにおいても　１．接続点を通ること。

　２．傾きが一致すること。

　３．曲率が一致すること。

　４．曲率変化が連続である、つまり曲率が微分可能であること。

　上記１．は、軌道を走行する車両の横変位が接続点で連続していなければならないことを意味する。

　上記２．は、車両の向きが接続点で連続していなければならないことを意味する。

　上記３．は、車両に作用する横加速度が接続点で連続していなければならないことを意味する。

　上記４．は、車両に作用する横加加速度が接続点で連続していなければならないことを意味する。必然的に、曲率の変化率が連続となり、曲率は、直線との接続点では下に凸、円弧との接続点では上に凸になるので、両者の間に変曲点を有することになる。これはクロソイド曲線では満足できない条件である。

　緩和曲線を、上記４つの条件を満たす関数として未知数を含んだ式で仮に設定し、前述の前提の段階で置いた未知数と共に解く。

　緩和曲線は曲率が変曲点を持つ必要があるので、2次導関数の振幅aと角周波数ωが未知の正弦波、かつ2次導関数の符号が常に正となるように、

と置く。

　この関数は、1次導関数y’が、

であり、2次導関数y’’が、

である。

　曲率κ(x)の方程式は、

となり、このうちxが0以上で曲率が単調増加する範囲を緩和曲線として利用する。

　数６～８のうち、既知数がd, κcであり、未知数がa, m, n, ωである。

　ここで、円弧と緩和曲線との接続点、つまり原点における緩和曲線の曲率κ(0)は、円弧の曲率κcと一致しなければならないので、

となり、未知数はｍ, ｎ, ωに絞られる。

　直線と緩和曲線との接続点(xi, yi)では緩和曲線の曲率が0になるので、そのx座標xiは、数１１から、

となる。

　これを緩和曲線の数８に代入すると、直線と緩和曲線との接続点のy座標yiも求まり、

となる。

　この接続点は直線上にあるので、直線の数７にxiとyiを代入すると、

の関係が得られる。

　また、この接続点での緩和曲線の傾きが直線の傾きmと等しいので、

となる。

　さらに、直線と円弧の中心との距離がdなので、

である。

　数１５～１７から、未知数m, n, ωについて解くことができ、

となる。数１８を数１９に代入し、数１９を数２０に代入することで、最終的に直線と緩和曲線の形状が求まる。

　図１６は、上記の手順に従ってκc=0.02[1/m], d=51[m]の場合の軌道を計算した例である。上側の図から、直線区間と円弧区間が緩和曲線で接続され、緩和曲線前後の曲率が連続であることはわかるが、x-y平面上では曲率の変化を視覚的に把握しにくいので、曲率を縦軸にとったグラフを下側に示す。走行距離Lに対して曲率が増加する方向に走行する場合で示しており、横軸は、直線から緩和曲線区間に入ってからの走行距離である。曲率が全域で微分可能であり、変曲点を有している。すなわち、前述の緩和曲線の必要条件１．～４．を全て満たしていることがわかる。

　軌道と初速を与えれば、G-VECTORING制御を適用した車両の速度プロファイル及び加速度プロファイルが数４及び数５によって定まることは先に述べた。

　図１７は、図１６の軌道を初速Vi=15[m/s]、G-VECTORING制御ゲインCxy=1[s]で走行した場合の、数５を用いて算出した前後加速度Gxと横加速度Gyであり、図１８は、その際の加速度ベクトルの大きさ|G|の遷移である。前後加速度が下に凸の波形で変化するとともに、横加速度が滑らかに増加し、その後滑らかに定加速度に収束することによって、加速度ベクトルが弧状に遷移し、安定して加速度ベクトルの大きさが増加していることがわかる。

　また、図１６に示した曲率の増加に伴って減速するので、図１７上側に示した前後加速度が、曲率の変曲点に向かって減少し、変曲点近傍で、減少から増加に転じている。これに対して、曲率が減少する場合では加速するので、前後加速度が曲率の変曲点に向かって増加し、変曲点近傍で、増加から減少に転じる。つまり、いずれの場合も、曲率の変曲点に向かって前後加速度の絶対値が増加し、その値は変曲点近傍で増加から減少に転じる。

　なお、必ずしも厳密にG-VECTORING制御の制御則に従わなくとも、上記に類似した前後加速度プロファイルであれば、G-Gダイアグラムは円弧状に遷移する傾向になる。

　図１９は、同じ軌道を走行する際に、前後加速度プロファイルを概ね台形状とした場合の前後加速度Gxと横加速度Gyであり、図２０は、その際の加速度ベクトルの大きさ|G|の遷移である。G-VECTORING制御に従った場合よりは、角張る傾向となるが、加速度ベクトルの大きさは極小値を持たず、図４や図６のような、加速度ベクトルの大きさが一旦小さくなって再度大きくなるような変化よりも良好と言える。つまり、G-VECTORING制御を適用しなくとも、本実施例によって生成した軌道に沿って走行すれば、不適な軌道にG-VECTORING制御を適用して走行した場合よりも良好なG-Gダイアグラムが得られる場合がある。
したがって、本軌道生成方法を組み込んだ軌道生成装置によって生成された軌道に沿って走行し、前後運動はG-VECTORING制御以外の減速ロジックを用いても良い。ただし、G-VECTORING制御を適用すればより良好な効果が得られる。

　緩和曲線の形状の詳細について補足する。

　本実施例で緩和曲線として用いる関数の置き方では、曲率を表す数１１の分子は正弦波の形状であるのに対して、分母が単調増加するため、緩和曲線の曲率の変曲点は中間よりも円弧側に位置する。仮に曲率の変曲点が緩和曲線のちょうど中間にあると、直線と変曲点との間を走行するのに要する時間より、速度が相対的に遅い円弧と変曲点との間を走行するのに要する時間の方が長くかかる。乗員は時間に対する加速度の変化を感じるので、緩和曲線を走行する時間は変曲点通過前後で均等化される方が加速度の変化が穏やかとなる。そのため、緩和曲線の曲率の変曲点が中間よりも円弧側に位置することは望ましい特性である。したがって、必要条件に基づいて緩和曲線を数８で置いたことは、G-Gダイアグラムを円滑に遷移させる軌道の生成方法としては、他の条件を付加せずとも十分である。

　以上が、軌道生成方法とその効果である。

　本軌道生成方法を利用するために、演算処理装置に必要な情報を入出力する論理的な仕組みを付加することによって軌道生成装置が構成される。図２１に軌道生成装置の入出力を示す。入力情報は車線幅を含む道路の形状であり、出力情報は、生成された目標軌道である。

　図２２のフローチャートに、軌道生成装置が道路形状から軌道を生成する処理を示す。
道路の形状を曲率の変化特性に応じて、直線区間と円弧区間と曲率が単調変化する区間に近似的に粗く分割（１０１）する。分割した区間の内、直線と円弧を抽出（１０３）する。直線と円弧からその間の緩和曲線を算出して軌道を生成（１０４）する。次に、生成した軌道が車線幅の範囲に収まるかを判定（１０５）する。生成した軌道は車線の中心からのずれがあるので、車線幅の範囲に収まっていなければ、その区間の前後について当初の粗い分割よりも分割数を増やす（１０６）。その上で再度、同様に直線と円弧を抽出（１０３）して軌道を生成（１０４）し、その軌道が車線の範囲の収まった段階（１０５）で最終的な出力とし、処理を終了（１０７）する。なお、道路の形状は曲率の変化特性毎に有限個に分割した区間で表せるので、分割を増やす（１０６）処理は有限回で軌道が出力される。

　軌道生成装置として利用する場合は、必ずしもリアルタイム性が要求されるものではない。図２３に、広域の軌道をまとめて生成、保持する場合の構成を示す。例えば、装置の記憶容量と演算性能が許す限り、地図情報に基づく広域の道路の形状を入力しておき、対応する広域の軌道を事前に生成しておいて、必要なときに必要な区間で利用することができる。他にも、車線変更を伴う典型的な追い越しの場面であれば、追い越し対象車の速度と自車の速度によって道路上の走行可能部分がおおよそ限定されるので、その範囲を走行する軌道を事前にパターン化しておくことができる。

　これらの場合で、事前に生成した軌道を走行し得ないときには、他の仕組みによって軌道を変更する必要があり、その際は好ましい軌道から外れることになる。しかしその反面、生成した軌道を走行できるときの効果は同一でありながら計算負荷が抑制できるという利点を有する。

　実施例２では、上記軌道生成の方法を組み込んだ走行制御装置として、軌道生成部へ軌道生成に必要な情報が入力され、生成された軌道を走行するための操舵と加減速を制御する仕組みを含む形態について説明する。

　本実施例では、軌道生成部が組み込まれ、車両に搭載される走行制御装置について説明する。軌道生成部は、実施例１で述べた軌道生成装置の働きに加えて、後述のリアルタイムに目標軌道を再生成する働きをする。

　車両は、走行制御装置の制御指令によって運転者の操作に依存せずに操舵と加減速を行う仕組みを有する。これは自動運転機能に必須であり、運転者の操作を補助する運転支援機能にも活用できる。

　図２４は、制御対象の車両１が備える各種の装置とシステム構成を示したものである。
操舵装置１８はEPS（電動パワーステアリング）を備える。EPSは、運転者による操舵力を増幅するパワーステアリングとしての機能に加えて、走行制御装置１５が送信する制御指令を受信して、能動的なアクチュエータとして運転者の操作に依存せずに左前輪１１と右前輪１２を操舵する機能を有する。

　駆動装置１９は、内燃機関または電動モータまたはその両方で構成され、走行制御装置１５が送信する制御指令を受信して、減速機２５とドライブシャフト２６を介して駆動輪である左前輪１１と右前輪１２に駆動力を発生させて車両１を走行させる。また、駆動輪に制動力を発生させて車両１を減速させる。制御指令に応じて、運転者の操作に依存せずに加減速を行うことができる。

　制動制御装置２０は、走行制御装置１５が送信する制御指令を受信して、制動装置２１～２４に液圧を作用させて制動力を制御する機能を有する。制御指令に応じて、運転者の操作に依存せずに減速を行うことができる。

　制動装置２１～２４は、制動制御装置２０からの液圧を受けて作動し、4輪１１～１４それぞれに制動力を発生させる。

　走行制御装置１５には、GPSセンサ１７、慣性センサ１６、車両前方の外界情報を取得するカメラ２８、側方画像センサ２９、及び制動制御装置を経由して車輪速センサ３１～３４、からの情報が入力され、それらに基づいて、操舵装置１８、駆動装置１９、制動制御装置２０、に制御指令を送り、車両１の運動を制御する。

　制駆動装置として制動装置２１～２４と駆動装置１９が協調して制動力を制御したり、操舵装置１８が操舵機構と操舵制御装置で構成されたりする等、各装置の構成は分割あるいは統合されていても良い。

　図２５は、走行制御装置１５の内部の処理構成を示したものである。走行制御装置１５は、軌道生成部と走行制御部を備える。

　軌道生成部には、車両前方を撮影するカメラ２８からリアルタイムに取得される外界情報、及び現在の車両の位置と進行方向と速度が入力される。また、車線幅を含む道路のカーブ形状の情報として、事前に取得した地図情報と、それに基づいて事前に生成した軌道の情報を保持している。車両の位置と進行方向と速度は、GPSセンサ１７、加速度及び角速度を検出する慣性センサ１６、車輪速センサ３１～３４、操舵角センサ２７、車線あるいは道路端を検出する側方画像センサ２９の情報を統合して精度を高めて取得される。

　走行制御部には、軌道生成部から出力された目標軌道が入力されるのに加え、現在の車両の位置と進行方向と速度が入力される。

　走行制御部は、目標軌道に追従するように操舵装置１８のアクチュエータにフィードフォワード制御による操舵指令を送るとともに、車両の目標軌道からのずれを検知してフィードバック制御する。同時に駆動装置１９と制動制御装置２０にも指令を送り、加減速あるいは速度を制御する。

　目標軌道に追従させるためのアクチュエータとしては、主として操舵装置１８を用いるが、制動装置２１～２４あるいは駆動装置１９によって4輪の制駆動力配分を変化させたり、サスペンション装置を能動的に制御したりする等、他の装置を併用しても良い。

　図２６のフローチャートは、実施例１の図２３の処理によって事前に生成していた軌道では、地図に反映されていない道路の情報や外乱によって、車線を逸脱したり、障害物に衝突したり、制御量が過大になったりする恐れがある場合に、軌道生成部において軌道を再生成する処理の1制御周期分を示したものである。

　処理が開始（２０１）されると、随時車両前方の状況をカメラ２８で捉えて、地図情報と前方の道路形状との誤差を、障害物の存在も含めて判断（２０２）する。基準値を上回る過大な誤差が検知された場合は、軌道生成部が予め保持している軌道生成用の地図情報を前方の道路形状に合わせて修正（２０３）する。修正の後、あるいは先の地図情報と前方の道路形状との誤差の判定（２０２）の結果が過大でない場合は、緩和曲線区間を走行中か否かを判定し、緩和曲線区間を走行中であれば、この制御周期での処理を終了（２１０）する。緩和曲線区間でなく直線区間あるいは円弧区間を走行していれば、目標軌道と現在の走行位置との基準値を上回る過大な誤差があるかを判定（２０５）する。過大な誤差がある場合、直線区間を走行中（２０６）であれば、緩和曲線の軌道生成の前提となる直線を現在の走行位置に重なるように取り直し、円弧区間を走行中であれば、緩和曲線の軌道生成の前提となる円弧を現在の走行位置に重なるように取り直した上で、軌道を再生成（２０９）する。以上で1制御周期を終了（２１０）し、次の周期の処理を開始（２０１）する。

　目標軌道を再生成する必要があるか否かの判断に用いる、誤差の基準値は、過大な外乱を受けない限り上回ることのない値に設定する。これは、目標軌道からずれた場合に軌道追従制御によって急激に元の軌道に戻そうとすることによる横加速度の変動は防止しつつ、過度に頻繁な軌道の再生成を抑制するためである。

　上記一連の処理を経て、軌道生成部は、目標軌道を出力し、走行制御部に入力する。

　自動運転におけるシステム全体の動作の一例を説明する。

　まず、軌道の直線区間で発進するとする。走行制御装置１５は、制動制御装置２０に対しては制動を解除する指令を送り、駆動装置１９に対しては既定の加速度で加速する指令を送る。すると車両１は停止状態から加速する。走行制御装置１５には車両１の速度が入力されているので、既定の速度に達したら、その速度を保つように駆動装置１９を制御し、定速走行に移行する。走行制御装置１５に入力される現在の車両１の位置と、軌道生成部から出力される目標軌道が常に比較され、両者のずれに応じた制御指令が走行制御装置１５から操舵装置１８に送られる。このフィードバック制御によって車両１は目標軌道に追従する。

　ここで、軌道生成部が、地図情報と前方のカーブ形状との誤差を検知したとする。図２６に示した処理に従い、修正した地図情報に基づいてリアルタイムに軌道を再生成する。
これにより、軌道生成部から出力される目標軌道は、再生成された軌道に変更される。この処理は、直線区間の走行中に限らず随時行われる。

　車両１が直線区間からカーブに進入する、つまり曲率が増加する緩和曲線区間に差し掛かると、走行制御装置１５はフィードフォワード制御として操舵装置１８に目標軌道の曲率に応じた操舵指令を送ると共に、駆動装置１９と制動制御装置２０に目標軌道の曲率増加に応じた減速指令を送る。操舵指令は、目標軌道の曲率の変曲点に向かって操舵を切り込む速度を増加させ、その後減少させるように操舵速度を制御する指令である。減速指令は、数５によって算出される。

　操舵装置１８は、受信した操舵指令に従って左前輪１１と右前輪１２を操舵する。駆動装置１９は受信した減速指令に従って駆動力を減少させていき、負の駆動力すなわち制動力を駆動輪である左前輪１１と右前輪１２に発生させる。駆動装置１９による制動力を上回る減速指令となった場合には、制動制御装置２０が受信した減速指令に従って各輪の制動装置２１～２４に液圧を作用させて制動力を発生させる。

　これによって車両１は減速しながら旋回を開始する。旋回中も車両１の位置と目標軌道は常に比較され、目標軌道に追従するように操舵装置１８が制御される。

　車両１が緩和曲線区間から曲率が一定の円弧区間に差し掛かると、走行制御装置１５は、操舵装置１８に円弧の曲率に応じた操舵指令を送ると共に、数４に従って円弧区間では一定速で走行するため、駆動装置１９と制動制御装置２０への減速指令を解除し、駆動装置１９に対して加減速せずに一定の速度を維持する制御指令を送る。

　円弧区間から曲率が減少する緩和曲線区間に差し掛かると、走行制御装置１５は、操舵装置１８に目標軌道の曲率に応じて操舵角を戻していく指令を送ると共に、駆動装置１９に目標軌道の曲率減少に応じた加速指令を送る。操舵指令は、目標軌道の曲率の変曲点に向かって操舵を切り戻す速度を増加させ、その後減少させるように操舵速度を制御する指令である。加速指令は、減速指令と同様に数５によって算出される。

　緩和曲線区間から直線区間に差し掛かると、走行制御装置１５から操舵装置１８に送られる操舵指令はほぼ直進に戻ってフィードバック制御で微修正されるのみとなり、目標軌道に沿った直進を維持する。ここで旋回を終えたことになる。このとき、速度は旋回を始める前の直線区間走行時の速度にほぼ戻っているので、走行制御装置１５から駆動装置１９に対して加減速せずに一定の速度を維持する制御指令を送る。直線区間から再びカーブに入るときには、また同様に操舵装置１８と駆動装置１９と制動制御装置２０が走行制御装置１５によって制御される。

　以上の動作を繰り返すことで、任意の道路形状に対して加減速を伴う自動運転が行われる。

　上記の例では、旋回中の加減速度をオープンループで制御しているが、速度を制御することで同等の加減速度を生じさせても良い。また、主として加減速度を直接制御する場合でも、目標速度に追従するよう加減速度を制御する速度制御の併用が必要である。なぜなら、理論上は減速と加速が対称となるのでカーブ通過前の直線区間とカーブ通過後の直線区間とで速度は等しくなるが、実際には加減速度の指令を時間積分した速度とはならずにカーブを通過する度に徐々に遅くなったり速くなったりする恐れがあり、その補正に前記速度制御を要するためである。速度制御は必要ではあるが、速度の値より速度の変化の仕方が重要であるので、他に速度を精密に制御するべき理由がなければオープンループ制御で十分である。

　生成した軌道を走行するにあたって、乗員の快適性をさらに向上させる方法について説明する。

　軌道上の車両位置から、数５に従って前後加速度を算出して、制動制御装置と駆動装置に加減速指令を送り、前後加速度を制御する方法は、直線と円弧との間の緩和曲線を前提としている。このような加減速制御では、緩和曲線と緩和曲線の間の直線あるいは円弧の区間が短い場合、過度に小刻みな加減速指令が算出され、走行にスムーズさを欠く場合がある。この現象を避けるため、時間的な間隔が短い加減速指令に対しては、２度目以降の指令の大きさを相対的に抑制する。また、横運動と前後運動を予見できることを利用して、連続した複数回の加減速指令をまとめて一度の加減速指令として与えても良い。

　以上により、生成された軌道への追従と前後加速度の制御が同時に行われ、G-Gダイアグラム上で加速度ベクトルが弧状に遷移する車両の運動が実現される。

　以降、付加的な機能について述べる。

　軌道生成と加減速制御のサスペンション制御への応用について説明する。

　乗員の快適性と車両の運動性能向上のために軌道に応じたサスペンション制御を行っても良い。軌道を追従するための操舵と、加減速に対して、車体の姿勢は時間的な遅れを伴って変化するが、本実施例では目標軌道を生成し、その軌道に応じた加減速制御を行うことから、前後加速度と横加速度が予めわかっているので、車体の姿勢変化を予測できる。
そこで、車体が過大な姿勢変化を起こす前に、各輪の減衰力とばね定数と車高を変化させておくことによって、乗り心地及び操安性を向上させる。例えば、軌道上、同じ曲率で同じ速度の地点であっても左右に切り返した後に通過すると姿勢変化が過大になる場合がある。そのような場面で、車体の姿勢が変化する前にサスペンションの特性を変化させておくことで、姿勢変化を適正な程度に抑える。

　その他、上記一連の制御が行えない場合に、その状況を乗員に対して通知する機能について述べる。

　横運動と連携せずに前後加速度の制御を行わざるを得ない場合、例えば自車の前方を走行する車両が急減速した際に、自車がカーブ曲率に基づく減速度での減速中に、想定よりもさらに減速度を増す必要があると、G-Gダイアグラムが弧状でなくなる可能性がある。
このとき前後加速度の制御に本来とは別の制御が介入したことを乗員に通知する仕組みを設けても良い。これは、横運動と前後運動の連携にスムーズさを欠く場合にはやむを得ない原因があることを知らせ、通常時の、生成された軌道に基づく自動運転あるいは運転支援に対する安心感を損なわないようにするためである。

　同様に、軌道生成部によって生成された軌道を走行しないことを乗員に通知する仕組みを設けても良い。車両の走行距離に対する軌道の曲率の変化率が、少なくとも軌道の曲率の変曲点まで連続であれば、その点まではG-Gダイアグラムが弧状となるが、障害物を直前で検知して、急操舵によって回避する場合等、軌道生成方法に従わずにスムーズでない走行となる際に、本来の軌道ではないことを乗員に通知する。

　図２７のフローチャートは、これら横運動と前後運動の連携制御ができない場合の通知を状況に応じて行う処理の1制御周期分を示したものである。処理が開始（３０１）されると、現在、横加速度と連携しない前後加速度の制御が必要な状況かどうかを判定（３０２）する。必要な場合、元の横運動と連携した前後加速度の制御で走行した場合の速度に戻るまでの横加速度と前後加速度の遷移を予め算出（３０３）する。算出した横加速度と前後加速度から、加速度ベクトルの大きさが、元の横運動と連携した前後加速度の制御で走行した場合の速度に戻るまでに極小値を持つかどうかを判定（３０４）する。極小値を持つ場合は、G-Gダイアグラムが弧状でなくなることを意味するので、やむを得ず快適性を損なう加減速を行うことを乗員に通知（３０５）して、処理を終了（３１０）する。極小値を持たない場合は、G-Gダイアグラムが概ね弧状に保たれるので、そのまま処理を終了（３１０）する。横加速度と連携しない前後加速度の制御が必要かどうかの判定（３０２）で、不要な場合、生成された軌道と異なる操舵が必要な状況かどうかを判定（３０６）する。不要であれば、そのまま処理を終了（３１０）し、必要であれば、生成された軌道と異なる操舵の後に元の軌道に戻るまでの横加速度と前後加速度の遷移を予め算出（３０７）する。算出した横加速度と前後加速度から、加速度ベクトルの大きさが、元の軌道に戻るまでに極小値を持つかどうかを判定（３０８）する。極小値を持つ場合は、G-Gダイアグラムが弧状でなくなることを意味するので、やむを得ず快適性を損なう操舵を行うことを乗員に通知（３０９）して、処理を終了（３１０）する。極小値を持たない場合は、G-Gダイアグラムが概ね弧状に保たれるので、そのまま処理を終了（３１０）する。処理の終了（３１０）後は、次の制御周期となり再び処理を開始（３０１）する。

　以上は乗員へ通知するための処理であり、通知と共に、横運動と前後運動が連携しない前後加速度あるいは操舵の制御が、それぞれの制御則に従って行われる。

　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１　　　　　　　車両
１１　　　　　　左前輪
１２　　　　　　右前輪
１３　　　　　　左後輪
１４　　　　　　右後輪
１５　　　　　　走行制御装置
１６　　　　　　慣性センサ
１７　　　　　　GPSセンサ
１８　　　　　　操舵装置
１９　　　　　　駆動装置
２０　　　　　　制動制御装置
２１　　　　　　左前輪制動装置
２２　　　　　　右前輪制動装置
２３　　　　　　左後輪制動装置
２４　　　　　　右後輪制動装置
２５　　　　　　減速機
２６　　　　　　ドライブシャフト
２７　　　　　　操舵角センサ
２８　　　　　　カメラ
２９　　　　　　側方画像センサ
３１　　　　　　左前輪車輪速センサ
３２　　　　　　右前輪車輪速センサ
３３　　　　　　左後輪車輪速センサ
３４　　　　　　右後輪車輪速センサ

Claims

進行方向に対して横方向への移動を伴う場合に、曲率単調変化軌道と曲率一定軌道とが曲率の変化率において連続している軌道を走行し、曲率単調変化軌道が変曲部を有するように車両を制御する走行制御装置。
　車両の横運動に応じて前後運動を制御する、請求項１に記載の走行制御装置。
　前記曲率単調変化軌道では、前記変曲部に至るまで車両に発生する前後加速度の絶対値が一定または増加し、前記変曲部通過後には車両に発生する前後加速度の絶対値が一定もしくは減少するよう前後加速度を制御する請求項２に記載の走行制御装置。
　前記曲率単調変化軌道では、前記車両の速度を前記軌道の曲率の時間変化に基づいて制御する請求項２に記載の走行制御装置。
　前記曲率単調変化軌道では、前記変曲点に至るまで操舵速度が一定または増加し、前記変曲点通過後には操舵速度が一定もしくは減少するように操舵速度を制御する請求項２に記載の走行制御装置。
　進行方向に対して横方向への移動を伴う場合に、曲率単調変化軌道と曲率一定軌道とが曲率の変化率において連続している軌道を走行すると、実際の道路形状に基づく軌道を走行する場合に対しての誤差が所定値を超える場合には、実際の道路形状に基づく軌道を走行するように車両を制御する請求項１乃至５の何れかに記載の走行制御装置。
　前記軌道は、地図情報もしくは走行中に外界情報として取得した車両前方の道路形状の情報、もしくはその両方に基づいて作成される、請求項１乃至５の何れかに記載の走行制御装置。