JP2022155712A - 走行制御システム及び走行制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両挙動が安定した状態で車両を自動走行させることができる車両制御システム及び車両制御方法を提供する。
【解決手段】 車両１の走行制御システム１０であって、車両の周囲の障害物を認識する外界認識手段３１と、車両のタイヤのタイヤパラメータを推定するタイヤパラメータ推定手段２２と、障害物とタイヤパラメータとに基づいて走行経路、加減速量、及び旋回量を設定する走行計画手段３４とを有し、走行計画手段は、障害物への接近を避けつつ、かつタイヤのスリップ率の粘着限界スリップ率に対する超過量を抑制するように、走行経路、加減速量、及び旋回量を設定する。
【選択図】 図１１

Description

本発明は、走行制御システム及び走行制御方法に関する。

特許文献１には、自車両と、自車両の周囲の障害物との距離に基づいて各地点のリスクポテンシャルを設定し、リスクポテンシャルが低い地点を結んで自車両の将来の走行経路を設定する周辺リスク表示装置が開示されている。

特許６７７３４３３号明細書

しかし、リスクポテンシャルに基づいて設定された走行経路は、凍結路面や圧雪路面等の低μ路を通過する場合がある。この場合、タイヤが予期せずスリップし、車両が走行経路に沿って走行することができないことがある。また、障害物の回避行動中に新たな障害物が認知された場合等、車両が走行経路に沿って走行することができず、回避が遅れる場合がある。また、車速が速い場合には、車両は走行経路に沿って走行することができない場合がある。以上より、リスクポテンシャルに加えて車両挙動の安定化を考慮して車両制御を行う必要がある。

本発明は、以上の背景を鑑み、車両挙動が安定した状態で車両を自動走行させることができる車両制御システム及び車両制御方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明のある態様は、車両（１）の走行制御システム（１０）であって、前記車両の周囲の障害物を認識する外界認識手段（３１）と、前記車両のタイヤのタイヤパラメータを推定するタイヤパラメータ推定手段（２２）と、前記障害物と前記タイヤパラメータとに基づいて走行経路、加減速量、及び旋回量を設定する走行計画手段（３４）とを有し、前記走行計画手段は、前記障害物への接近を避けつつ、かつ前記タイヤのスリップ率の粘着限界スリップ率に対する超過量を抑制するように、前記走行経路、前記加減速量、及び前記旋回量を設定する。

この態様によれば、車両挙動が安定した状態で車両が走行可能な走行経路を設定することができる車両制御システムを提供することができる。走行計画手段が、タイヤのスリップ率が粘着限界スリップ率に対する超過量を抑制するように、走行経路、加減速量、及び旋回量を設定するため、移動滑りが抑制され、車両挙動が安定する。走行計画部が、タイヤパラメータ推定手段が推定したタイヤパラメータに基づいて走行経路、加減速量、及び旋回量を設定するため、路面状態が変化しても車両は車両挙動を安定化させつつ、走行経路に沿って走行することができる。移動滑りが抑制されることによって、車両が走行経路に沿って走行しているときに他の障害物に基づいて走行経路が急に変更された場合でも車両は車両挙動を安定化させつつ走行することができる。また、移動滑りが抑制されることによって、車両が走行経路に沿って走行しているときに、車速が目標車速より高い場合でも車両は車両挙動を安定化させつつ走行することができる。

上記の態様において、前記走行計画手段は、前記障害物と前記車両との距離に基づくリスクポテンシャルに第１係数を掛けた値と、前記タイヤの移動滑りに応じて増加するスリップ損失に第２係数を掛けた値との合計である評価関数が最小になるように、前記走行経路、前記加減速量、及び前記旋回量を設定するとよい。

この態様によれば、走行制御システムは、車両と障害物との間隔を広くすることができ、かつ車両が安定した車両挙動で走行することができる走行経路を設定することができる。また、第１係数及び第２係数を変更することによって、リスクポテンシャル及びタイヤスリップ損失が評価関数に与える影響を変化させることができる。

上記の態様において、前記走行計画手段は、前記障害物と前記車両との距離に基づくリスクポテンシャルに第１係数を掛けた値と、前記タイヤのスリップ損失に第２係数を掛けた値と、前記車両の運動エネルギーの減少量である運動エネルギー損失に第３係数を掛けた値との合計である評価関数が最小になるように、前記走行経路、前記加減速量、及び前記旋回量を設定するとよい。

この態様によれば、走行制御システムは、車両と障害物との間隔を広くすることができ、かつ車両が安定した車両挙動で走行することができ、かつ減速が少ない走行経路を設定することができる。また、第１係数、第２係数、及び第３係数を変更することによって、リスクポテンシャル、タイヤスリップ損失、及び運動エネルギー損失が評価関数に与える影響を変化させることができる。

上記の態様において、駆動源、制動装置、操舵装置を制御する走行制御手段を更に有し、前記走行計画手段は、前記評価関数が最小になるときの前記タイヤの目標スリップ率及び目標舵角を設定し、前記目標スリップ率に基づいて前記タイヤの要求駆動力を算出し、前記走行制御手段は、前記タイヤの実舵角が前記目標舵角と一致するように前記操舵装置を制御すると共に、前記タイヤの実駆動力が前記要求駆動力と一致するように前記駆動源及び前記制動装置の少なくとも一方を制御するとよい。

この態様によれば、タイヤの要求駆動力に基づいて駆動源及び制動装置を制御するため、制御の誤差を小さくすることができる。仮に、実際のスリップ率を目標スリップ率に一致させるべく制御を行う場合、スリップ率と駆動力との関係に基づくタイヤモデルに誤差が含まれると、走行経路に誤差が生じる虞がある。一方で、タイヤの実駆動力を要求駆動力に一致させるべく制御を行う場合には、タイヤモデルに誤差が含まれていても、タイヤスリップ損失に誤差は生じるものの、走行経路に対する影響は小さくなる。

上記の態様において、前記タイヤパラメータは、前記タイヤの剛性であるタイヤねじり剛性と、前記タイヤと路面との摩擦特性である路面摩擦係数とを含み、前記タイヤパラメータ推定手段は、少なくとも駆動源及び前記タイヤのホイールの回転速度、車体速、及び前記ホイールのトルクに基づいて、前記タイヤねじり剛性及び前記路面摩擦係数を推定するとよい。

この態様によれば、タイヤねじり剛性と、路面摩擦係数とに基づいてタイヤスリップ損失を取得することができる。

上記の態様において、前記タイヤパラメータ推定手段は、前記タイヤねじり剛性及び前記路面摩擦係数に基づいて前記タイヤの前記路面に対する粘着限界に対応した粘着限界スリップ率を推定するとよい。

この態様によれば、粘着限界スリップ率に基づいてタイヤスリップ損失を取得することができる。

本発明の他の態様は、車両の走行制御システムが実行する走行制御方法であって、前記車両の周囲の障害物を認識し、前記車両のタイヤのタイヤパラメータを推定し、前記障害物への接近を避けつつ、かつ前記タイヤのスリップ率の粘着限界スリップ率に対する超過量を抑制するように、前記障害物と前記タイヤパラメータとに基づいて走行経路、加減速量、及び旋回量を設定する。

この態様によれば、車両挙動が安定した状態で車両が走行可能な走行経路を設定することができる車両制御方法を提供することができる。走行計画手段が、タイヤのスリップ率が粘着限界スリップ率に対する超過量を抑制するように、走行経路、加減速量、及び旋回量を設定するため、移動滑りが抑制され、車両挙動が安定する。走行計画部が、タイヤパラメータ推定手段が推定したタイヤパラメータに基づいて走行経路、加減速量、及び旋回量を設定するため、路面状態が変化しても車両は車両挙動を安定化させつつ、走行経路に沿って走行することができる。移動滑りが抑制されることによって、車両が走行経路に沿って走行しているときに他の障害物に基づいて走行経路が急に変更された場合でも車両は車両挙動を安定化させつつ走行することができる。また、移動滑りが抑制されることによって、車両が走行経路に沿って走行しているときに、車速が目標車速より高い場合でも車両は車両挙動を安定化させつつ走行することができる。

上記の態様において、前記障害物との前記車両との距離に基づくリスクポテンシャルに第１係数を掛けた値と、前記タイヤのスリップ損失に第２係数を掛けた値と、前記車両の運動エネルギーの減少量に第３係数を掛けた値との合計である評価関数が最小になるように、前記走行経路、前記加減速量、及び前記旋回量を設定するとよい。

この態様によれば、走行制御システムは、車両と障害物との間隔を広くすることができ、かつ車両が安定した車両挙動で走行することができ、かつ減速が少ない走行経路を設定することができる。

上記の態様において、前記評価関数が最小になるときの前記タイヤの目標スリップ率及び目標舵角を設定し、前記目標スリップ率に基づいて前記タイヤの要求駆動力を算出し、前記タイヤの実舵角が前記目標舵角と一致するように操舵装置を制御すると共に、前記タイヤの実駆動力が前記要求駆動力と一致するように駆動源及び制動装置の少なくとも一方を制御するとよい。

この態様によれば、タイヤの要求駆動力に基づいて駆動源及び制動装置を制御するため、制御の誤差を小さくすることができる。

以上の構成によれば、車両挙動が安定した状態で車両を自動走行させることができる車両制御システム及び車両制御方法を提供することができる。

走行制御システムが搭載される車両の構成図 走行制御システムの構成図 スリップ率とタイヤ駆動力との関係を示すグラフ 駆動輪の力学モデルを示す説明図 （Ａ）差動装置及び駆動輪間の回転変動伝達特性を示すグラフ、（Ｂ）周波数と振動モードとの関係を示す説明図 弾性滑りモード及び移動滑りモードの根軌跡を示す図 タイヤねじり剛性、路面摩擦係数、及び限界スリップ率の関係を示すマップ 走行可能帯の例を示す説明図 走行可能帯の幅方向における位置とリスクポテンシャルとの関係を示すグラフ 走行制御手順を示すフロー図 モデルを示す説明図 路面摩擦係数が変化したときの、評価区間Ｘにおける横方向変位、舵角、車速、タイヤスリップ損失の積算値を示すグラフ 路面摩擦係数が変化したときの走行制御の効果を示すグラフ

以下、図面を参照して、本発明に係る走行制御システム及び車両制御方法について説明する。図１及び図２に示すように、車両１は、４輪自動車であり、車体２と、車体２に設けられた４つの車輪３とを有する。車輪３は、駆動輪である２つの前輪３Ｆと、従動輪である２つの後輪３Ｒとを有する。各車輪３は、ホイールＷと、ホイールＷに取り付けられたタイヤＴとを有する。

車両１は、前輪３Ｆを駆動するための駆動源５を有する。駆動源５は、内燃機関又は電動モータであってよい。駆動源５は、減速装置及び差動装置を含んでよい。本実施形態では、駆動源５は、内燃機関５Ａ、減速装置５Ｂ、及び差動装置５Ｃ（ＤＮ）によって構成されている。駆動源５の差動装置５Ｃは、動力伝達部材６を介して各前輪３Ｆに接続されている。動力伝達部材６は、ドライブシャフトであってよい。

車両１は、各車輪を制動するための制動装置８を有する。制動装置８は、油圧供給装置８Ａと、各車輪のホイールＷに設けられ、油圧供給装置８Ａからの油圧によって作動するディスクブレーキ８Ｂとを有する。

車両１は、前輪３Ｆを操舵する操舵装置９を有する。操舵装置９は、例えばラックアンドピニオン式の操舵装置であり、左右の前輪３Ｆにタイロッドを介して接続されたラックと、ラックに噛み合うピニオンと、ピニオンを回転させる操舵モータとを有するとよい。

車両１は、駆動源５及び制動装置８を制御する走行制御システム１０を有する。走行制御システム１０は、運転操作子１１、車両センサ１２、外界認識装置１３、及びナビゲーション装置１４からの信号に基づいて、駆動源５、制動装置８及び操舵装置９を制御する制御装置１５を有する。

運転操作子１１は、運転者の操舵操作を受け付けるステアリングホイール１１Ａ、運転者の加速操作を受け付けるアクセルペダル１１Ｂ、運転者の減速操作を受け付けるブレーキペダル１１Ｃを含む。

車両センサ１２は、左右の前輪３Ｆの回転速度を検出する左右の前輪車輪速センサ１２Ａ（第１回転センサ）、左右の後輪の回転速度を検出する左右の後輪車輪速センサ１２Ｂ（従動輪回転センサ）、駆動源５の出力端の回転速度を検出する駆動源回転速センサ１２Ｃ（第２回転センサ）、車体２の前後加速度及び横加速度を検出する加速度センサ１２Ｄを有する。前輪車輪速センサ１２Ａ及び後輪車輪速センサ１２Ｂは、ホイールＷの回転速度を検出する。左右の後輪車輪速センサ１２Ｂ及び加速度センサ１２Ｄは、車体速に関連する情報を取得する車体速取得手段として機能する。

駆動源回転速センサ１２Ｃは、駆動源５の差動装置のファイナルギヤの回転速度を検出する。また、車両センサ１２は、ステアリングホイール１１Ａの操舵角を検出する操舵角センサ１２Ｅ、アクセルペダル１１Ｂの操作量を検出するアクセルペダルセンサ１２Ｆ、ブレーキペダル１１Ｃの操作量を検出するブレーキペダルセンサ１２Ｇ、内燃機関５Ａの回転数を検出するエンジン回転数センサ１２Ｈを有する。また、車両センサ１２は、車体２の上下加速度を検出する上下加速度センサ１２Ｋを有する。上下加速度センサ１２Ｋは、各車輪３に対応して設けられているとよい。また、上下加速度センサ１２Ｋは、各車輪３を支持するサスペンションアーム（不図示）に設けられてもよい。加速度センサ１２Ｄ及び上下加速度センサ１２Ｋは、共通の３軸又は６軸加速度センサとして構成されてもよい。内燃機関５Ａの出力トルクは、後述する制御装置１５によって推定される。

外界認識装置１３は車外の物体等を検出する装置である。外界認識装置１３は、車両１の周辺からの電磁波や光を捉えて車外の物体等を検出するセンサ、例えば、レーダ１３Ａ、ライダ１３Ｂ（ＬＩＤＡＲ）、及び車外カメラ１３Ｃを含む。外界認識装置１３は、その他、車外からの信号を受信して、車外の物体等を検出する装置であってもよい。外界認識装置１３は検出結果を制御装置１５に出力する。

レーダ１３Ａはミリ波等の電波を車両１の周囲に発射し、その反射波を捉えることにより、物体の位置（距離及び方向）を検出する。レーダ１３Ａは車両１の任意の箇所に少なくとも１つ取り付けられている。

ライダ１３Ｂは赤外線等の光を車両１の周囲に照射し、その反射光を捉えることにより、物体の位置（距離及び方向）を検出する。ライダ１３Ｂは車両１の任意の箇所に少なくとも１つ設けられている。

車外カメラ１３Ｃは車両１の周囲に存在する物体（例えば、周辺車両や歩行者）や、ガードレール、縁石、壁、中央分離帯、道路の形状や道路に描かれた道路標示等を含む車両の周囲を撮像する。車外カメラ１３Ｃは、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子を利用したデジタルカメラであってよい。

ナビゲーション装置１４は車両１の現在位置を取得し、目的地への経路案内等を行う装置であり、ＧＮＳＳ受信部１４Ａ、地図記憶部１４Ｂ、ナビインタフェース１４Ｃ、経路決定部１４Ｄを有する。ＧＮＳＳ受信部１４Ａは人工衛星（測位衛星）から受信した信号に基づいて車両１の位置（緯度や経度）を特定する。地図記憶部１４Ｂは、フラッシュメモリやハードディスク等の公知の記憶装置によって構成され、地図情報を記憶している。ナビインタフェース１４Ｃは乗員からの目的地などの入力を受け付けると共に、乗員に表示や音声によって各種情報を提示する。ナビインタフェース１４Ｃは例えばタッチパネルディスプレイや、スピーカ等を含むとよい。

地図情報は、高速道路、有料道路、国道、都道府県道といった道路の種別、道路の車線数、各車線の中央位置（経度、緯度、高さを含む３次元座標）、道路区画線や車線の境界等の道路標示の形状、歩道や縁石、さく等の有無、交差点の位置、車線の合流及び分岐ポイントの位置、非常駐車帯の領域、各車線の幅員、道路に設けられた標識等の道路情報を含む。また、地図情報は、交通規制情報、住所情報（住所・郵便番号）、施設情報、電話番号情報等を含んでもよい。

経路決定部１４Ｄは、ＧＮＳＳ受信部１４Ａにより特定された車両１の位置と、ナビインタフェース１４Ｃから入力された目的地と、地図情報とに基づいて目的地までの経路を決定する。また、経路決定部１４Ｄは、経路を決定するときに、地図情報の車線の合流及び分岐ポイントの位置を参照して、車両１が走行すべき車線である目標車線も含めて決定するとよい。

制御装置１５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等から構成される電子制御装置（ＥＣＵ）である。制御装置１５はＣＰＵでプログラムに沿った演算処理を実行することで、各種の車両制御を実行する。制御装置１５は各種の車両制御を組み合わせて、少なくともレベル０～レベル３の自動運転制御（以下、自動運転）を行う。レベルはＳＡＥ Ｊ３０１６の定義に基づくものであって、運転者の運転操作及び車両周辺監視への介入の度合いに関連して定められている。

図２に示すように、制御装置１５はトルク推定部２１、タイヤパラメータ推定部２２、自動運転制御部２３、及び走行制御部２４（走行制御手段）を有する。自動運転制御部２３は、外界認識部３１（外界認識手段）、自車位置認識部３２、リスクポテンシャル設定部３３、及び走行計画部３４（走行計画手段）を含む。

トルク推定部２１は、内燃機関５Ａの出力トルクを取得する。トルク推定部２１は、例えば吸入空気量や、インテークマニホールドの負圧に基づいて推定されるとよい。また、駆動源５が電動モータである場合には、電動モータに供給される相電流に基づいて電動モータの出力トルクが推定されるとよい。なお、他の実施形態では、内燃機関５Ａ又は電動モータに、出力トルクを検出するためのトルクセンサが設けられてもよい。また、トルク推定部２１は、制御装置１５による制動装置８の制御量に基づいてホイールＷに加わる制動トルクを推定する。

タイヤパラメータ推定部２２は、少なくとも駆動源５及びホイールＷの回転速度、車体速、及びホイールＷのトルクに基づいて、タイヤＴのねじり剛性であるタイヤねじり剛性及びタイヤＴと路面との摩擦特性である路面摩擦係数を推定する。また、タイヤパラメータ推定部２２は、タイヤねじり剛性及び路面摩擦係数に基づいてタイヤの粘着限界に対応した粘着限界駆動力、及び粘着限界スリップ率を推定する。

以下に、タイヤパラメータ推定部２２による、タイヤねじり剛性、路面摩擦係数、粘着限界駆動力、及び粘着限界スリップ率の推定方法について説明する。タイヤパラメータ推定部２２は、以下に示す理論に基づいて作成されたプログラムを実行することによって推定を行う。

ホイールＷはアルミや鋼などの金属から形成されているため、ゴム製のタイヤＴに比べて剛性が十分に高い。ホイールＷに駆動トルクが与えられた場合には、タイヤＴのサイドウォール部およびトレッド部に弾性変形が生じる。そのため、ホイールＷとタイヤＴのトレッド表面とを剛体質量で表し、両者のねじれを抑制する方向にばね力が作用する状態であると考える。タイヤＴと路面との接地部では、車両１の質量のためタイヤＴが変形し、ある一定幅（接地幅）にてタイヤＴと路面とが接触（接地面）した状態となる。接地面にはタイヤと路面との間に摩擦力Ｆが作用し、この摩擦力Ｆは次式で表される。

μはタイヤＴと路面との間の摩擦係数である路面摩擦係数であり、NはタイヤＴの接地荷重である輪荷重である。路面摩擦係数μは、タイヤＴの空気圧や経年変化、路面、天候、気候などにより変化する。摩擦力Ｆは走行抵抗に対抗して車両１を走行（加速、減速、等速走行）させるために必要な力、すなわち駆動力とその合力の大きさが釣り合う必要がある。

ホイールＷに駆動トルクが与えられた瞬間にはタイヤＴにトルクは伝達されておらず、タイヤＴはまだ転動しない。このときタイヤＴは弾性変形しホイールＷとタイヤＴとの間にはねじれ角が生じる。この状態においてタイヤＴは、ホイールＷの駆動トルクに比例してねじれ角が生じる静ねじり状態にある。ねじれ角が生じるとその反力としてタイヤＴにトルクが伝達され、タイヤＴは転動を始める。タイヤＴが転動するに伴い弾性変形を生じていたタイヤＴの１要素は接地面を離れるとともに弾性ひずみが解放される。このとき解放された弾性ひずみに対応する分の反力がホイールＷの駆動トルクを伝達するために必要な大きさに対して不足するため、タイヤＴの転動は一時的に止まろうとする。しかしながら、接地面を離れたタイヤＴの１要素と交代に新たな要素が路面と接地し弾性ひずみを生じることで失われた反力を回復しタイヤＴは再び転動する。このように個々の要素に係る境界条件が各要素に固有ではなく、要素の運動に伴い移動する場合を特に移動境界と呼ぶ。実際のタイヤＴが継続して転動するとき上記のような現象が連続して起こるため、ホイールＷの回転角に対して一定の割合でタイヤＴの転動角は減少する。単位時間あたりでのホイールＷの回転角は回転数（回転角速度）に比例するため、タイヤＴの転動角もホイールＷの回転数に比例して減少し一定の回転伝達ロスが生じる。この現象を弾性変形に起因してホイールＷと路面との間に見かけ上滑りが生じることから弾性滑りと呼ぶ。弾性滑り量はホイールＷの回転数に対して一定の割合で生じるため、滑りによる回転数ロスΔωとホイールＷの回転数ω_wheelとの比S_rを滑り速度比とする。

タイヤＴの弾性滑りの特性を図示すると図３のようになる。タイヤＴと路面との間の摩擦力には限界があるので、ホイールＷの駆動トルクが増加していくと、タイヤＴの接地面と路面とが滑り始める。これを弾性滑りと区別して移動滑りとする。このように、ホイールＷの駆動トルクを増加していくと、最初は弾性滑り状態から移動滑り状態に変化する。弾性滑り状態と移動滑り状態の境界を弾性滑り限界又は粘着限界といい、粘着限界に対応した駆動力（トルク）を粘着限界駆動力（トルク）という。

弾性滑り状態において、弾性変形によりホイールＷとタイヤＴとの間にねじれ角φEが生じ、接地面が接地長さだけ移動した状態では、転動前の接地面には弾性変形によるひずみエネルギー（k_T×φ_E ²／2）が蓄えられ、転動によってこのひずみエネルギーが解放される。このひずみエネルギーは車両１の走行に関して仕事をしないので、ホイールＷから与えられた駆動エネルギーをひずみの生成と解放というサイクルで散逸している状態と考えることができる。このようなエネルギー散逸が見かけ上の滑り（弾性滑り）によって生じるものと捉えれば、接地面に作用する摩擦力をＦとして、次式のように書ける。

すなわち、エネルギー散逸を式３のように摩擦力と見かけ上の滑りによる仮想仕事に置き換えることができる。ｋ_TはタイヤＴのねじり剛性[Nm/rad]、ＲはタイヤＴの動半径[m]、Ｔ_fは接地面に生じる摩擦トルク[Nm]に相当する。ねじれ角φ_Eに対応してタイヤＴが転動したとき、ねじれ角φ_Eを含めてホイールＷの回転角がφ_wheelであったとすると滑り速度比Ｓ_rは幾何学的関係より、次の式４で表される。

式２および式４より、φ_Eは以下の式５で表される。

これを式３に代入すると、以下の式が導かれる。

式６で表されるように、摩擦トルクT_fはホイールＷと路面との間に生じる滑り（回転数ロス）Δωに比例した粘性抵抗力で表される。ここで、c_Tはタイヤと路面との間の摩擦減衰[Nm/(rad/s)]であり、粘性係数に相当し、タイヤねじり剛性k_Tに比例する。

駆動源５から接触面までの力学的モデルは、図４のように表すことができる。このモデルに基づいて、状態方程式は、以下の式７のように表される。以下の式は、内燃機関を車両１の前部に搭載し、トランスミッションを介して前輪３Ｆを駆動するＦＦ車両の左右いずれかの車輪３を抜き出したものである。

ここで、θ_DNは差動装置ＤＮのファイナルギヤ（駆動源５の出力軸）の回転角摂動[rad]、θ_Wはホイールの回転角摂動[rad]、θ_Tはタイヤの回転角摂動[rad]、I_wはホイールの慣性モーメント[kgm²]、I_Tはタイヤの慣性モーメント[kgm²]、k_Dは動力伝達部材６（ドライブシャフト）のねじり剛性[Nm/rad]である。

式７を以下の式８によって無次元化すると、式９によって表される状態変数（ベクトル量）は、式１０で表される。

差動装置ＤＮの回転変動に対するホイールＷの回転変動の周波数応答を式１０により求めると図５（Ａ）のようになる。図５（Ａ）は、周波数に対する差動装置ＤＮの回転変動振幅に対するホイールＷの回転変動振幅の増幅比（振幅比m）と、差動装置ＤＮの回転変動に対するホイールＷの回転変動の位相遅れ（位相遅れΨ1）とを示す。

式６より、滑り状態は摩擦減衰係数c_Tの値が小さくなるほど移動滑り状態に近づく。図５（Ａ）中の（ａ）は弾性滑り状態の応答を表し、（ｃ）は移動滑り状態の応答を表している。また、（ｂ）は両滑り状態の境界（粘着限界）にあたる。図５（Ａ）中の振幅比を示すグラフの（ａ）と（ｃ）とを比較すると移動滑り状態になると低周波数側に新たなピークが出現すると共に、高周波数側のピークが高周波側に移動することが判る。高周波数側のピークに対応した振動モードを弾性滑りモード、低周波数側のピークに対応した振動モードを移動滑りモードと呼ぶことにする。

周波数と摩擦減衰係数c_Tに対する弾性滑りモード及び移動滑りモードの存在範囲を図示すると図５（Ｂ）のようになる。図５（Ｂ）は、弾性滑りモード及び移動滑りモードの存在範囲を実線で示している。

弾性滑りモードでは、タイヤＴの弾性変形により駆動力を路面に伝達するので、タイヤねじり剛性k_Tによって生じた弾性力はホイールＷにも反力として作用する。そのため、ホイールＷがドライブシャフト剛性k_Dおよびタイヤねじり剛性k_Tによって生じる弾性力の合力を受け振動する。弾性滑りモードは、図５（Ａ）及び（Ｂ）において高周波数側に見られる。弾性滑りモードは、図５（Ｂ）に示すように、摩擦減衰係数c_Tが減少するにつれて、すなわち、弾性滑り状態から移動滑り状態に近づくにつれて、より高周波側へと遷移する。このことは、図５（Ａ）中の振幅比を示すグラフにおいて、移動滑り状態になると高周波数側のピークがより高周波側に移動することに対応している。

移動滑りモードでは、タイヤＴと路面とが動的に滑ることからタイヤねじり剛性k_Tによって生じる弾性力は滑りによって解放され、ホイールＷに作用する反力も消失する。そのため、ホイールＷとタイヤＴが一体となってドライブシャフト剛性k_Dによって生じる弾性力のみを受け同相で振動する。移動滑りモードは、図５（Ａ）及び（Ｂ）において低周波数側に見られる。移動滑りモードは、図５（Ｂ）に示すように、摩擦減衰係数c_Tが一定値より小さくなった場合に、すなわち、移動滑り状態となった場合に出現し、弾性滑り状態では現れない。このことは、図５（Ａ）中の振幅比を示すグラフにおいて、移動滑り状態になると低周波数側に新たなピークが出現することに対応している。

以上より、弾性滑り状態から移動滑り状態へと移行するに伴い、移動滑りモードが発現する。したがって、移動滑りモードの発現を監視することによって、粘着限界の判定ができるように思える。しかし、図５（Ａ）中の振幅比をみると、粘着限界では未だに低周波数側のピークを確認することはできない。特許文献１に記載の路面判定装置のように、低周波数側のピークが明確に確認された段階では、すでに移動滑りが進展した状態しか判定することはできない（特許文献１では振動観測位置が異なるため移動滑りに伴い当該モードが消滅したようにみえるが、事象としては同義である）。すなわち、単純に振動波形を観測するだけでは移動滑りモードの発現を厳密に判定することはできない。そもそも、弾性滑り状態から粘着限界を予測することはできない。そこで、系の減衰状態を表す無次元量ζ₂に着目する。式８に示すように、無次元量ζ₂は、摩擦減衰係数c_Tとタイヤねじり剛性k_Tとによって無次元化されており、諸元の変化に関係なく系の減衰状態を一義的に表現する量である。現在の無次元量ζ₂を推定できれば、粘着限界に対応するしきい値と比較することにより，移動滑りの発生を厳密に判定することができる。また、無次元量ζ₂と前記しきい値との偏差は移動滑りが発生するまでの余裕度の判断材料にもなることから、無次元量ζ₂を知ることは有用である。以下ではまず、無次元量ζ₂の取得方法について説明する。

車両１の駆動源５となる内燃機関には一般にトルク変動が生じ、このトルク変動は差動装置ＤＮからタイヤにも伝達される。トルク変動の要因として、内燃機関であれば筒内圧の変動、電動モータであればポール数に起因したコギングトルクがある。差動装置ＤＮには入力されたトルク変動に起因した回転変動が同時に生じる。このとき、差動装置ＤＮの回転変動は以下の式１１で表される。

式１１は境界条件での強制加振と捉えることができる。A₁は差動装置ＤＮの回転変動振幅[m]、Ωは加振力（内燃機関Ｅのトルク変動）の角振動数[rad/s]、tは時間[s]である。このような強制加振状態において、式１０に示す状態方程式は次式となる。

式１２より、Ｂは外力（加振入力）を表し、もともとの系がもつ固有の振動モード（以下、固有モードと呼ぶ）はヤコビ行列Ａによって決まる。ヤコビ行列Ａを決定するパラメータはρ，ω₁、ω₂、ζ₂であるが、そのうちρ、ω₁は設計諸元（既知数）である。そのため、無次元量ω₂と、滑り識別量に対応する無次元量ζ₂とが判ると、固有モードが判る。式７において、支配方程式は二つであり、対して未知数となる無次元量もω₂、ζ₂の二つであるからω₂、ζ₂は一義的に決定できるはずである。なお、無次元量ω₂はタイヤねじり剛性k_Tから、無次元量ζ₂は摩擦減衰係数c_T及びタイヤねじり剛性k_Tから成るので、無次元量ω₂、ζ₂を決定できることは摩擦減衰係数c_T及びタイヤねじり剛性k_Tを決定できることと同義である。

式１２の周期解を次式のように仮定する。

式１３の周期解を式１２に代入し、ガラーキン法に立脚して係数決定を行うと、次の関係式を得る。

mは差動装置ＤＮの回転変動振幅に対するホイールの回転変動振幅の増幅比（振幅比）であり、Ψ₁は差動装置ＤＮの回転変動に対するホイールの回転変動の位相遅れであるから、差動装置ＤＮの回転変動とホイールの回転変動を計測することで式１４より無次元量ω₂、ζ₂を求めることができる。

つぎに、式１４より現在の無次元量ω₂、ζ₂が判明したとして、無次元量ζ₂と固有モードとの関係の取得方法について説明する。無次元量ω₂はタイヤねじり剛性k_Tの変化を反映しているが、同一条件下では大きな変化はないため、タイヤねじり剛性k_Tは一定であるとして無次元量ζ₂と固有モードとの関係について説明する。このとき、無次元量ζ₂は摩擦減衰係数c_Tと一義的に対応する。固有モードの振る舞いはヤコビ行列Ａの固有値λを求めることによって記述できる。上述の移動滑りモードに対応する固有値λの振る舞い（根軌跡）を図６に示す。図６の（ａ）～（ｃ）は図５（ａ）～（ｃ）に対応する。なお、タイヤねじり剛性k_Tが変化すると振動モードの周波数が変化するため、図６の根軌跡の縮尺が変化するが、以下で説明する主要な性質に変化はない。また、その際には現状の無次元量ω₂，ひいてはタイヤねじり剛性k_Tが判明していることから、制御上の問題もない。

図６の横軸は実軸、縦軸は虚軸を表し、虚数部は振動解を示す。弾性滑り状態（図６の（ａ）参照）において一組の根は実軸上にあり振動解が存在しないことを示す。すなわち、移動滑りモードに対応する振動は生じていない。一方で、移動滑り状態（図６の（ｃ）参照）となると、この根は虚数部をもち振動が発生することを示す。すなわち、無次元量ζ₂＜ζ_C（図６の（ｂ，ｃ）参照）となったとき移動滑りモードが発現することが分かる。したがって、無次元量ζ_Cの値に基づき下記のように滑り状態を判定することができる。

無次元量ζ₂＞ζ_Cとき、弾性滑り状態
無次元量ζ₂＝ζ_Cのとき、粘着限界
無次元量ζ₂＜ζ_Cとき、移動滑り状態
ζ_Cは、設計諸元によって異なる値である。図６には、ζ_Cが０．８６である場合について、ζ₂及び摩擦減衰係数c_Tcの数値を例示している。無次元量ζ_Cが判ると、式８から弾性滑り限界となるときの摩擦減衰係数c_Tcを取得することができる。

しかし、以上の理論に基づいて無次元量ω₂、ζ₂を推定するには、特定の振動が必要になる（例えば、駆動源５となる内燃機関のトルク変動）。すなわち、当該振動が生じていない、あるいは、センサノイズに対して微小であるときにはタイヤスリップを判定することができないという課題がある。そこで、上述したように、もともとの系がもつ固有モードはヤコビ行列Ａによって決まることに着目する。すなわち、図４に示す駆動源５からタイヤＴと路面との接触面までの力学的モデルを同定し、同定したモデルに対してヤコビ行列Ａを評価することによって当該振動が生じていなくても無次元量ω₂、ζ₂（摩擦減衰係数c_T及びタイヤねじり剛性k_T）を推定することができる。

以下に、タイヤパラメータ推定部２２が図４に示す力学的モデル及びタイヤモデルを同定する手法について説明する。このモデルの同定では、主にタイヤねじり剛性k_T及び路面摩擦係数λ_μxをモデルパラメータとして推定する。タイヤパラメータ推定部２２は、例えば公知のカルマンフィルタやオブザーバを利用してタイヤねじり剛性k_T及び路面摩擦係数λ_μxを推定するとよい。本実施形態では、カルマンフィルタを使用した推定方法の例について説明する。図４に示す駆動源５から接触面までの力学的モデルに基づいた状態方程式は、以下の式１５のように表される。以下では、内燃機関を車両１の前部に搭載し、トランスミッションを介して前輪３Ｆを駆動するＦＦ車両の左前の車輪３について例示する。その他の車輪３についても、動力伝達部材６（ドライブシャフト）のねじり剛性k_Dや荷重移動の式などを適切に読み替えることで同様に推定することができる。

ここで、θ_DNは差動装置ＤＮのファイナルギヤ（駆動源５の出力軸）の回転角摂動[rad]、θ_Wはホイールの回転角摂動[rad]、θ_Tはタイヤの回転角摂動[rad]、k_Tはタイヤのねじり剛性[Nm/rad]、λ_μxは前後方向の路面摩擦係数（タイヤと路面との摩擦係数）[-]、F_zは輪荷重[N]、a_DNはトルク変動振幅[Nm]、φはトルク変動の位相[rad]、V_xは車両重心における前後方向対地速度[m/s]、I_DNは差動装置ＤＮのファイナルギヤ（駆動源５の出力軸）の慣性モーメント[kgm²]、k_Dは動力伝達部材６（ドライブシャフト）のねじり剛性[Nm/rad]、I_wはホイールの慣性モーメント[kgm²]、I_Tはタイヤの慣性モーメント[kgm²]、R_eはタイヤ動半径[m]、F_xは駆動力[N]、V_cxflは車輪３（左前車輪）の長手方向における対地速度[m/s]、α^_f（＾はハットを表す）は前輪のタイヤ横滑り角[deg]、γ^_flは車輪３（左前車輪）のキャンバ角[deg]、k_fはフロントのロール剛性[Nm/rad]、k_rはリヤのロール剛性[Nm/rad]、hは重心高さ[m]、d_fはフロントのトレッド幅[m]、mは車両重量[kg]、a_yは横加速度[m/s²]、a_xは前後加速度[m/s²]、T_DNoは差動装置ＤＮのファイナルギヤ（駆動源５の出力軸）の平均トルク[Nm]、T_brkは制動装置８によりホイールに作用する制動トルク[Nm]、N_eはエンジン回転数[rpm]、νは内燃機関の形式に応じた係数であり、直列４気筒４ストロークエンジンの場合は２である。差動装置ＤＮの平均トルクT_DNoは、駆動源５の推定出力トルク及びトランスミッションの減速比により求まる。駆動源５の推定出力トルクは、駆動源５が内燃機関の場合にはインテークマニホールド内への空気流入量または負圧によって、駆動源５が電動モータの場合には相電流によって推定することが一般的に可能である。制動トルクT_brkは、油圧供給装置８Ａからの油圧に基づいて推定することが一般的に可能である。また、上付き文字の「＾（ハット）」は推定値であることを表す。前輪のタイヤ横滑り角α^_f及び左前車輪のキャンバ角γ^_flは、慣性センサの信号やサスペンションジオメトリなどに基づき、一般的な手法で推定することができる。

一般的に駆動源５が内燃機関である場合には，その点火周期に基づいたトルク変動が生じるため、トランスミッションの出力トルクとして周期的なトルク変動を考慮する必要がある。そのため、トルク変動T_DN=a_DN・sinφ+T_DNoがドライブシャフトを介して車輪３に伝達されている状況を想定する。内燃機関では点火周期毎のトルク変動が生じることから，トルク変動の周波数は内燃機関の回転数に比例する。すなわち、トルク変動の角振動数φ・（・はドットを表す）は、次の式１６で表される。上付き文字の「・（ドット）」は微分演算子であり、φ・は位相角の微分（すなわち角振動数）を表す。なお、駆動源５が内燃機関である場合には推定精度をより向上させるために周期的なトルク変動をモデル上は考慮しているが、このようなトルク変動や特定の振動が生じていない場合においても以下のカルマンフィルタは機能する。

式１５の輪荷重F_zは前後左右の各車輪３に作用する垂直荷重であり，車両１の加減速や旋回状態による荷重移動を考慮すると次式のように表される。式１５は、式１７の内の左前の輪荷重F_zflについて記述している。

R_e(F_z)はタイヤの動半径であり、輪荷重F_zに依存する。F_xはタイヤと路面との間に生じるタイヤ長手方向の摩擦力（駆動力）である。F_xは、マジックフォーミュラ（Magic Formula、Pacejka）に基づくタイヤモデルを用いてk_T、λ_μx、F_z、θ_W、V_cxfl、α＾、γ＾を引数とした関数で表され、以下にその詳細を説明する。

タイヤの使用条件のうち、輪荷重や、タイヤと路面との滑りが変化すると、タイヤに生じる駆動力に影響が生じる。以下の式１８～２１に基づいて、これらの影響を補正係数としてタイヤモデルに実装する。

ここで、F_zoは使用するタイヤにて想定されている輪荷重の標準値[N]である。この例において、F_zには左前の輪荷重F_zflが対応する。

ここで、αはタイヤ横滑り角[deg]、V_cxは車輪３の長手方向における対地速度[m/s]、Vcyは横速度[m/s]である。この例において、αには前輪のタイヤ横滑り角（推定値）α^_fを代入する。また、V_cxには後述する（式３８）左前車輪の長手方向における対地速度V_cxflを代入する。

ここで、γは車輪３のキャンバ角[deg]であり、左前車輪のキャンバ角（推定値）γ^_flを代入する。

ここで、κはスリップ率であり、駆動力方向の滑りを表す指標である。

車両１が直進状態、すなわち横滑り角が０である場合（Pure slip）では，タイヤのねじり剛性k_T，路面摩擦係数λ_μx，輪荷重F_zが主たる摩擦特性を決定付け、駆動力F_xoは、以下の式で表される。

ここで、p_cx1、p_Dx1、p_Dx2、p_Dx3、p_Ex1、p_Ex2、p_Ex3、p_Ex4、ε_xは、定数である。ε_xは、０で割ることを防止するために設定する十分小さな値であり、物理的な意味はない。

横滑り角が生じている場合（Combined slip）、横滑り角が摩擦力飽和に寄与するため、駆動力Fxは次の式３０～式３７で表される。

ここで、r_Bx1、r_Bx2、r_Bx3、λ_xa、r_Cx1、r_Ex1、r_Ex2は、定数である。

車輪速（ホイールの回転速度、θ_Wの微分値）、及び駆動輪（左前輪）の長手方向対地速度V_cxflはスリップ率κを求めるための変数である。駆動輪（左前輪）の長手方向対地速度V_cxflは、車両重心位置の前後方向対地速度（車体速）V_x、前輪舵角δ_f [deg]、ヨー角速度r [deg/s]とから次式により求められる。

ここで、ｌはホイールベース[m]である。

車体速V_xは前後加速度a_x ^*の積分値として得られる。前後加速度a_x ^*は，簡易的にa_x ^*=a_xとしてもよいが、６軸慣性センサなどが使える場合には傾斜補正後の値（平面投影）とすることが望ましい。

式１５の状態方程式に対して観測方程式は次の式で表される。

λ_μは路面摩擦係数の疑似観測量であり、路面摩擦係数の推定値が０以上１以下の値となるように制限を加える際に使用する。λ_μは０以上１以下の値が設定されるとよい。例えば、路面摩擦係数の推定値が０より小さくなる場合にはλ_μは０に設定され、路面摩擦係数の推定値が１より大きくなる場合にはλ_μは１に設定されるとよい。V_rrは従動輪である後輪の車輪速である。後輪がスリップしていないと仮定した場合には、後輪車輪速V_rrは車体速Vxと等しくなる。観測値は、左後輪の車輪速V_Wrlと右後輪の車輪速V_Wrrとに基づいて次の式４０のようにする。

式１５は連続時間表現の状態方程式であり、タイヤパラメータ推定部２２は観測値y=^t(y₁, y₂, y₃, y₄)のサンプリング周期毎に計算を実行する。式１５及び式３９の離散時間表現は次式のように表される。

ここで、kはサンプリング周期毎の離散時間であり、y(k)は４次元時系列、x(k)は１２次元状態ベクトル、u(k)は１２次元システム入力ベクトルである。x(k)及びu(k)は、次の式によって表される。

また、v(k)は平均値ベクトル0、共分散行列Qの１２次元システム雑音ベクトルであり、w(k)は平均値ベクトル0、共分散行列Rの４次元観測雑音ベクトルである。v(k)とw(k)とは、互いに独立な正規性白色雑音と仮定すると、次の式４３で表される。

f(x, u)は、式１５の離散時間積分（前進オイラー法）に基づいて、次の式４４の１２次元関数で表される。h(x)は、次の式４５で表される４次元関数である。Δtは離散時間間隔（サンプリング周期）である。

以下に、非線形カルマンフィルタの一種であるEKF（Extended Kalman Filter）を用いて状態推定値x＾(k)（＾はハットを表す）を計算する手順を示す。

状態推定値x＾(k)の初期値x＾(0)（＾はハットを表す）は、N(x₀, Σ₀)に従う正規性確率ベクトルとし、次の式４６のように表す。

k=1, 2,...に対して、事前状態推定値x＾^-(k)は、次の式４７のように表される。

線形近似により、次の式４８及び式４９のようにすると、事前誤差共分散行列が式５０のようになる。

これにより、カルマンゲイン行列G(k)は式５１になる。

状態推定値x＾(k)（＾はハットを表す）は式５２になる。

事後誤差共分散行列P(k)は式５３になる。

以上より、状態推定値x＾(k)（式５２）が求まり、x＾(k)の７番目の要素としてタイヤねじり剛性の推定値k＾_T、８番目の要素として路面摩擦係数の推定値λ＾_μxが求まる。カルマンフィルタを用いた手法では、周波数解析による振幅、位相を明示的に求める必要が無く，過渡状態においても適用が容易である。

推定車体速V^_xは、後輪車輪速センサ１２Ｂによって取得された第１速度と、加速度センサ１２Ｄが取得した前後加速度を積分することによって取得された第２速度との重み付き平均になる。また、重みは、カルマンゲインによって、状態量x(k)の尤度が最大となるように設定される。

状態推定値x＾(k)に含まれるタイヤのパラメータをタイヤモデルに反映させることによって、タイヤと路面との間の摩擦減衰係数c_T（[Nm (rad/s)]）を次の式５５で表すことができる。

ここで、κ_x、B_x、C_x、D_x、E_xは以下の式５６で表される。

ここで、p_Cx1、p_Dx1、p_Dx2、p_Dx3、p_Ex1、p_Ex2、p_Ex3、p_Ex4は定数である。

一方で、無次元量ζ_Cが判ると、式８から粘着限界となるときの摩擦減衰係数c_Tcを取得できることを上述した。式５５において粘着限界となるときのスリップ率をκ_cとおいて、これが無次元量ζ_Cより求まる粘着限界となるときの摩擦減衰係数c_Tcと等しいことから、式５７の関係が成立する。

この式からκ_cを求めることによって、粘着限界となるときのスリップ率である粘着限界スリップ率κ_cを取得することができる。粘着限界スリップ率は、オフラインで予め数値的に計算されてマップ化されているとよい。例えば、図７に示すマップを使用して、粘着限界スリップ率は、タイヤねじり剛性k_T及び路面摩擦係数λ_μxに基づいて設定されるとよい。

粘着限界スリップ率が定まると、式２２～式３７のタイヤモデルに基づいて、粘着限界に対応したタイヤの駆動力F_xである粘着限界駆動力F_xcが定まる。粘着限界駆動力F_xcは、粘着限界に対応したタイヤの駆動トルクT_xである粘着限界トルクT_xcに変換されてもよい。タイヤパラメータ推定部２２は、タイヤねじり剛性k_T及び路面摩擦係数λ_μxと粘着限界駆動力F_xc（又は粘着限界トルクT_xc）との関係に基づくマップを使用して、タイヤねじり剛性k_T及び路面摩擦係数λ_μxから粘着限界駆動力F_xcを設定してもよい。

外界認識部３１は、外界認識装置１３の検出結果に基づいて、車両１の周辺に位置する障害物や、道路の形状、歩道の有無、道路標示を認識する。障害物は、例えば、ガードレールや電柱、周辺車両、歩行者等の人物を含む。外界認識部３１は外界認識装置１３の検出結果から、周辺車両の位置、速度及び加速度等の状態を取得することができる。周辺車両の位置は、周辺車両の重心位置やコーナー位置等の代表点、又は周辺車両の輪郭で表現された領域として認識されるとよい。

自車位置認識部３２は、車両１が走行している車線である走行車線、及び走行車線に対する車両１の相対位置及び角度を認識する。自車位置認識部３２は、例えば、地図記憶部１４Ｂが保持する地図情報とＧＮＳＳ受信部１４Ａが取得する車両１の位置とに基づいて、走行車線を認識するとよい。また、路面に描かれた車両１の周辺の区画線を地図情報から抽出し、車外カメラ１３Ｃによって撮像された区画線の形状と比較して、走行車線に対する車両１の相対位置、及び角度を認識するとよい。

リスクポテンシャル設定部３３は、外界認識部３１が認識した車両１の周辺に位置する障害物の情報に基づいて、リスクマップを作成する。リスクマップには、自車両１の周囲の各位置に対してリスクポテンシャルが設定されている。リスクポテンシャルは、衝突の危険性を数値化したものであり、衝突の危険性が高いほど高い値が設定される。本実施形態では、リスクポテンシャル設定部３３は、図８に示すように、各障害物を重ならないように走行可能帯を設定し、走行可能帯に含まれる各地点に対してリスクポテンシャルを設定する。走行可能帯の両側縁は、障害物から所定の距離以上離れるように設定されるとよい。図９に示すように、リスクポテンシャルは、走行可能帯の左右方向における中央部において最も低く設定され、走行可能帯の両側縁において最も高く設定されている。すなわち、リスクポテンシャルは、中央部から両側縁にかけて増加するように設定されている。

他の実施形態では、走行可能帯を設定せずに、道路の各地点に対してリスクポテンシャルを設定してもよい。リスクポテンシャルは、障害物との距離に応じて設定されるとよい。例えば、リスクポテンシャルは、障害物が存在する地点では最も高く設定され、障害物から離れた地点ほど値が低く設定されてもよい。また、障害物の自車両１に対する相対速度に基づいて、自車両１に接近する障害物ほどリスクポテンシャルが高く設定されるとよい。

走行計画部３４は、経路に沿って車両１を走行させるための行動計画を順次作成する。例えば、走行計画部３４は車両１が障害物と接触することなく、経路決定部１４Ｄにより決定された目標車線を走行するためのイベントを決定する。イベントには定速度で同じ走行車線を走行する定速走行イベント、乗員によって設定された設定速度又は車両１の走行する環境に基づいて定められる速度以下の速度で、同じ走行車線を走行する前走車両に追従する追従イベント、車両１の走行車線を変更する車線変更イベント、前走車両を追い越す追い越しイベント、道路の合流地点で車両１を合流させる合流イベント、道路の分岐地点で車両１を目的の方向に走行させる分岐イベント、自動運転を終了して手動運転にする自動運転終了イベント、及び、車両１の走行中に制御装置１５又は運転者による運転の継続が困難であることを示す所定の条件が満たされたときに車両１を停止する停車イベントが含まれる。

走行計画部３４は、これらのイベントの実行中に、車両１の周辺状況（周辺車両や歩行者の存在、道路工事による車線狭窄等）に基づいて、障害物等を回避するための回避イベントを決定してもよい。

走行計画部３４は、更に決定したイベントに基づいて、車両１が将来走行すべき走行経路（目標軌道）と、各時点の加減速量及び操舵量を設定する。走行経路は、車両１が各時刻において到達すべき地点である軌道点を順に並べたものである。目標速度及び目標加速度の情報は軌道点の間隔で表現される。

走行制御部は、走行計画部３４によって設定された各時点の加減速量及び操舵量に基づいて、駆動源５、制動装置８、及び操舵装置９を制御する。各時点の加減速量及び操舵量が定まると、走行経路が定まる。

以下に、制御装置１５が実行する走行制御の手順を図１０のフロー図を参照して説明する。最初に、リスクポテンシャル設定部３３が、外界認識部３１が認識した車両１の周辺に位置する障害物の情報に基づいて、リスクマップを作成する（Ｓ１）。リスクマップは、上述したように、走行可能帯と、走行可能帯の各地点におけるリスクポテンシャルに関する情報を含む。リスクマップは、制御装置１５が走行計画を設定すべき区間である最適化区間に対応して設定されるとよい。

次に、タイヤパラメータ推定部２２が、上述した推定方法に基づいて、各車輪３のタイヤねじり剛性k_Tfl、k_Tfr、k_Trl、k_Trr及び路面摩擦係数λ_μfl、λ_μfr、λ_μrl、λ_μrrを含むタイヤパラメータ推定値を算出する（Ｓ２）。推定された各車輪３のタイヤねじり剛性k_Tfl、k_Tfr、k_Trl、k_Trr及び路面摩擦係数λ_μfl、λ_μfr、λ_μrl、λ_μrrは、最適化区間において、一定値として取り扱われる。なお、添え字のfl、fr、rl、rrは、それぞれ左前輪、右前輪、左後輪、右後輪を表し、以下で説明する状態量についても同様に表記する。また、各車輪を区別することなく計算できる場合にはこれらの添え字を省略し、各車輪について同様に読み替えることができる。

次に、走行計画部３４は、モデル４０及び評価関数に基づいて、最適化区間における各時点の各車輪３の目標スリップ率及び目標舵角を探索する（Ｓ３）。モデル４０は、タイヤパラメータ推定部２２が推定したタイヤねじり剛性k_Tfl、k_Tfr、k_Trl、k_Trr及び路面摩擦係数λ_μfl、λ_μfr、λ_μrl、λ_μrrを使用して設定される。図１１に示すように、モデル４０は、輪荷重算出部４１、タイヤ速算出部４２、タイヤ横滑り角算出部４３、タイヤ力算出部４４、及び車両モデル４５を有する。

モデル４０には、制御量（最適化変数）として、最適化区間における各時点の舵角δ_f ^(k)と、各車輪３のスリップ率κ_fl ^(k), κ_fr ^(k), κ_rl ^(k), κ_rr ^(k)とが、入力される。各文字の右肩の(k)は、k番目の計算結果（離散時間k）を表す。

輪荷重算出部４１は、以下の式５８及び数５９に基づいて各車輪３の輪荷重F_z ^(k)を算出する。

ここで、lはホイールベース[m]、l_fは車両１の重心から前輪車軸までの距離[m]、l_rは車両１の重心から後輪車軸までの距離[m]、d_fは前輪のトレッド幅[m]、d_rは後輪のトレッド幅、kfはフロントのロール剛性[Nm/rad]、krはリヤのロール剛性[Nm/rad]、hは重心高さ[m]、mは車両重量[kg]、a_x ^(k-1)は車体２の前後加速度、a_y ^(k-1)は車体２の横加速度である。前後加速度a_x ^(k-1)及び横加速度a_y ^(k-1)は、車両モデル４５から入力される。

タイヤ速算出部４２は、以下の式６０に基づいて各車輪３の長手方向速度V_cx ^(k)を算出する。

ここで、v_x ^(k)は車体２の前後速度[m/s]、v_y ^(k)は車体２の横速度[m/s]である。rはヨー角速度[deg/s]である。舵角δ_f ^(k)は変数として入力され、車体２の前後速度v_x ^(k)及び車体２の横速度v_y ^(k)は車両モデル４５から入力される。

タイヤ横滑り角算出部４３は、以下の式６１に基づいて各車輪３の横滑り角α^(k)を算出する。

舵角δ_f ^(k)は変数として入力され、車体２の前後速度v_x ^(k)及び車体２の横速度v_y ^(k)は車両モデル４５から入力される。

タイヤ力算出部４４は、修正タイヤモデルに基づいて各車輪３の前後力（駆動力）F_x ^(k)と横力F_y ^(k)とを算出する。各車輪３の前後力F_x ^(k)及び横力F_y ^(k)は、式６２に示されるように、各車輪３のタイヤねじり剛性k_T、路面摩擦係数λ_μ、輪荷重F_z ^(k)、長手方向速度V_cx ^(k)、スリップ率κ^(k)、及び横滑り角α^(k)に基づいて算出される。

式６２の各車輪３の前後力F_xと横力F_yは、詳細には以下の式６３～式１０９で表される。以下の式６３～式１０９において、添え字が付されたp及びrと、A_μ及びλ_μVとは所定値の係数である。

車両モデル４５では、各車輪３の前後力F_x及び横力F_yと、制御量としての舵角δ_fとに基づいて、運動方程式から車両１の状態量を算出する。運動方程式は、以下の式１１０及び式１１１に基づいて表される。

ここで、走行抵抗F_rは、以下の式１１３で表される。

ここで、μ_rは転がり抵抗係数[N/kg]、μ_aは空気抵抗係数[N/m²/(km/h)²]、Aは車両の前方投影面積[m²]である。

また、車両モデル４５は、以下の式１１４に基づいて、離散時間kの車両１の状態量に基づいて、離散時間k+1の車両１の状態量を算出する。

ここで、Ｘ－Ｙは地上に固定した座標系であり、ｘ－ｙは車両１の重心を原点とし車両１の前後方向をｘ、ｘに直交する横方向をｙとする座標系である。θは、Ｘ軸に対してｘ軸がなす角度である。Vは以下の式１１５で表される。

評価関数は、式１１６で表されるある時点のステージコストＬを、所定の時間間隔Ｔ（＝Δｔ・Ｎ）で積分した式１１７のＪで表される。

ここで、Wr、Ws、Wvは、所定値の重み（係数）であり、L_rはリスクポテンシャル、L_sはスリップ損失、L_vは運動エネルギー損失である。x_kは車両１の状態量（式１１４）、u_kは制御量、tは時間である。各文字の右肩の＊は、後の最適化計算に用いる値であることを表し、実際の値（右肩に＊を付けずに表す）とは必ずしも一致しないので区別して表す。Ｌはステージコスト、φは終端コストである．制御量u_Nは状態量x_N+1に影響するため、最適化区間に対して影響する制御量はu₀, u₁, ..., u_N-1までであり（ステージコストＬ）、終端コストφには制御量は関係せず状態量x_Nのみで決まる。

リスクポテンシャルL_rは、車両１の位置X^(k), Y^(k)に基づいてリスクマップを参照することによって設定される。リスクマップは、上述したようにリスクポテンシャル設定部３３によって作成される。リスクポテンシャルが小さいほど、車両１は走行可能帯の中央部に位置し、車両１の周囲に存在する障害物と衝突リスクが低くなる。

スリップ損失L_sは、以下の式１１８に示すように、各車輪３のタイヤの摩擦損失の総和で定義される。各車輪３の摩擦損失は、各車輪３の摩擦力F_fl、F_fr、F_rl、F_rrと滑り速度V_sfl、V_sfr、V_srl、V_srrの積で表される。スリップ損失が小さくなるほど、各車輪３の移動滑りが小さくなり、車両１の挙動が安定する。なお、各車輪３のタイヤのスリップ率が粘着限界スリップ率以下であれば、滑り速度も粘着限界内であることから、スリップ損失は十分小さく、車両１の挙動は安定する。

運動エネルギー損失L_Vは、初期条件（k=0）に対する運動エネルギーの減少量で定義される。運動エネルギー損失L_Vは、例えば式１１９のように表されるとよい。運動エネルギー損失が小さくなるほど、車両１の減速が抑制される。

ここで、Tは時間間隔を表す。

緊急回避のような状況では、瞬間的な性能ではなく、回避行動全体で評価する必要がある。そのため、ある時点のステージコストＬ（式１１６参照）を、所定の時間間隔Ｔ（＝Δｔ・Ｎ）で積分したＪ（式１１７参照）を最小化する制御量（最適化変数）の組み合わせ（ある時刻kに車両に入力される舵角δ_f ^(k)と、各車輪３のスリップ率κ_fl ^(k), κ_fr ^(k), κ_rl ^(k), κ_rr ^(k)の配分と、これらの時間変化）を探索する必要がある。制御量の時系列関数Ｕは、以下の式１２０で表される。

ここで、u_k（k＝0, 1, ..., N-1）はある時刻kに車両に入力される制御量であり、以下の式１２１で表される。

評価関数の最適性必要条件は、以下の数１２２～数１２５で表される。

ここで、x₀ ^＊は初期値であり、現在時刻tにおいて観測された状態量x(t)を代入することにより与えられる。

ここで、λは共状態、Ｈはハミルトニアン、Ｃは拘束条件である。ハミルトニアンは次の式１２５で表される。

評価関数が最小となる制御量の探索には、例えば逐次二次計画法（ＳＱＰ）を用いるとよい。また、制御装置１５の処理負荷を軽減する目的でＣ／ＧＭＲＥＳ法を用いてもよい。いずれの計算手法にせよ、現在時刻tにおいて観測された状態量x(t)を初期値として制御量の探索が行われる（式１２２）。したがって、逐次観測された状態量をフィードバックすることで外乱による影響を修正可能である。

次に、図１０に示すように、制御装置１５は、評価関数Jが最小になるときの各時点の各車輪３の目標（最適）スリップ率を修正タイヤモデルに代入することによって、各時点の各車輪３の目標駆動力を算出する（Ｓ４）。各車輪３の駆動力は、以下の式１２６によって表される。

ここで、添え字optは、目標スリップ率及び目標舵角により最適された値であることを表す。

次に、制御装置１５は、評価関数Jが最小になるときの各時点の目標舵角に基づいて、実際の舵角（実舵角）を目標舵角に一致させるように、操舵装置９を制御する（Ｓ５）。

次に、制御装置１５は、ステップＳ４において算出した各時点の各車輪３の目標駆動力に基づいて駆動源５及び制動装置８のトルクを制御する（Ｓ６）。駆動源５は、出力を増減させることによって前輪３Ｆに与える正の駆動力を調整する。また、駆動源５は、エンジンブレーキ量及び回生量を増減させることによって、前輪３Ｆに与える負の駆動力を調整する。また、制動装置８は、制動トルクを増減させることによって、前輪３Ｆ及び後輪を含む各車輪３の負の駆動力を調整する。

制御装置１５が以上の走行制御を実行することによって、車両１は、周囲の障害物と安全な距離を保ちつつ、かつ移動滑りを抑制して車両挙動を安定化させつつ、かつ減速を抑制しつつ走行することができる。

図１２は、路面摩擦係数が０．８、０．５、０．３である場合において、評価関数が最小となるときの、評価区間Ｘ（前方距離）における横方向変位Y(m)、舵角(rad)、車速(km/h)、タイヤスリップ損失の積算値Ｊｓ(J)を表すグラフである。図１２から、路面摩擦係数がいずれの場合も車両１は走行可能帯の略中央を走行することができることが判る。このとき、路面摩擦係数が低いほど、減速区間が長くなり、操舵タイミングも早くなる。しかし、路面摩擦係数が０．５の場合においても、減速区間が長いため、タイヤスリップ損失は抑制されている。

図１３は、路面摩擦係数が異なる場合の走行制御の効果を示すグラフである。路面摩擦係数μが０．８又は０．５である場合、ヨー角速度に対して車体横滑り角が線形的に変化し、かつ値も小さい。この場合、タイヤの摩擦が粘着限界内に抑制され、一貫性のある安定した車両挙動が実現される。路面摩擦係数μが０．３である場合、タイヤの摩擦を粘着限界内に抑制すると走行可能帯を逸脱する虞があるため，粘着限界からの逸脱が最小となるように制御される。その結果、ヨー角速度に対する車体横滑り角の変化は線形的ではなくなるものの，発散することはなく、車体横滑り角の最大値も路面摩擦係数μが０．８又は０．５である場合と同等に抑制される。すなわち，乗車フィーリングの一貫性は損なわれるものの、安定性した車両挙動は維持される。このように、路面摩擦係数が低い場合において、制御装置１５は安定性を高め、安全な自動運転を提供することができる。

以上の実施形態によれば、車両挙動が安定した状態で車両１が走行可能な走行経路を設定することができる車両制御システムを提供することができる。走行計画手段が、タイヤのスリップ率が粘着限界スリップ率に対する超過量を抑制するように、走行経路、加減速量、及び旋回量を設定するため、移動滑りが抑制され、車両挙動が安定する。走行計画部が、タイヤパラメータ推定手段が推定したタイヤパラメータに基づいて走行経路、加減速量、及び旋回量を設定するため、路面状態が変化しても車両１は車両挙動を安定化させつつ、走行経路に沿って走行することができる。移動滑りが抑制されることによって、車両１が走行経路に沿って走行しているときに他の障害物に基づいて走行経路が急に変更された場合でも車両１は車両挙動を安定化させつつ走行することができる。また、移動滑りが抑制されることによって、車両１が走行経路に沿って走行しているときに、車速が目標車速より高い場合でも車両１は車両挙動を安定化させつつ走行することができる。

走行制御システム１０は、リスクポテンシャル、タイヤスリップ損失、及び運動エネルギー損失を考慮した評価関数（式１１６参照）が最小になるように走行経路、前記加減速量、及び前記旋回量を設定する。そのため、走行制御システム１０は、車両１と障害物との間隔を広くすることができ、かつ車両１が安定した車両挙動で走行することができ、かつ減速が少ない走行経路を設定することができる。また、第１係数、第２係数、及び第３係数を変更することによって、リスクポテンシャル、タイヤスリップ損失、及び運動エネルギー損失が評価関数に与える影響を変化させることができる。

制御装置１５が、評価関数が最小となるときの各車輪３のタイヤのスリップ率と舵角とを取得し、前記タイヤの実駆動力が前記要求駆動力と一致するように前記駆動源５及び前記制動装置８の少なくとも一方を制御する。そのため、タイヤの要求駆動力に基づいて駆動源５及び制動装置８を制御するため、制御の誤差を小さくすることができる。仮に、実際のスリップ率を目標スリップ率に一致させるべく制御を行う場合、タイヤモデル（スリップ率と駆動力との関係）に誤差が含まれると、走行経路に誤差が生じる虞がある。一方で、タイヤの実駆動力を要求駆動力に一致させるべく制御を行う場合には、タイヤモデルに誤差が含まれていても、タイヤスリップ損失に誤差は生じるものの、走行経路に対する影響は小さくなる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。他の実施形態では、タイヤパラメータ推定部２２は、公知の様々な手法を用いて路面摩擦係数及びタイヤ捩じり剛性を推定してもよい。タイヤパラメータ推定部２２は、例えば路面状態を検出するセンサの検出値に基づいて路面摩擦係数を推定してもよい。また、タイヤパラメータ推定部２２は、空気圧等に基づいてタイヤ捩じり剛性を推定してもよい。

１ ：車両
２ ：車体
３ ：車輪
３Ｆ ：前輪
３Ｒ ：後輪
５ ：駆動源
８ ：制動装置
９ ：操舵装置
１０ ：走行制御システム
１２ ：車両センサ
１３ ：外界認識装置
１５ ：制御装置
２１ ：トルク推定部
２２ ：タイヤパラメータ推定部
２３ ：自動運転制御部
２４ ：走行制御部
３１ ：外界認識部
３２ ：自車位置認識部
３３ ：リスクポテンシャル設定部
３４ ：行動計画部

Claims (9)

1. 車両の走行制御システムであって、
   前記車両の周囲の障害物を認識する外界認識手段と、
   前記車両のタイヤのタイヤパラメータを推定するタイヤパラメータ推定手段と、
   前記障害物と前記タイヤパラメータとに基づいて走行経路、加減速量、及び旋回量を設定する走行計画手段とを有し、
   前記走行計画手段は、前記障害物への接近を避けつつ、かつ前記タイヤのスリップ率の粘着限界スリップ率に対する超過量を抑制するように、前記走行経路、前記加減速量、及び前記旋回量を設定する走行制御システム。
2. 前記走行計画手段は、前記障害物と前記車両との距離に基づくリスクポテンシャルに第１係数を掛けた値と、前記タイヤの移動滑りに応じて増加するスリップ損失に第２係数を掛けた値との合計である評価関数が最小になるように、前記走行経路、前記加減速量、及び前記旋回量を設定する請求項１に記載の走行制御システム。
3. 前記走行計画手段は、前記障害物と前記車両との距離に基づくリスクポテンシャルに第１係数を掛けた値と、前記タイヤのスリップ損失に第２係数を掛けた値と、前記車両の運動エネルギーの減少量である運動エネルギー損失に第３係数を掛けた値との合計である評価関数が最小になるように、前記走行経路、前記加減速量、及び前記旋回量を設定する請求項１に記載の走行制御システム。
4. 駆動源、制動装置、操舵装置を制御する走行制御手段を更に有し、
   前記走行計画手段は、前記評価関数が最小になるときの前記タイヤの目標スリップ率及び目標舵角を設定し、前記目標スリップ率に基づいて前記タイヤの要求駆動力を算出し、
   前記走行制御手段は、前記タイヤの実舵角が前記目標舵角と一致するように前記操舵装置を制御すると共に、前記タイヤの実駆動力が前記要求駆動力と一致するように前記駆動源及び前記制動装置の少なくとも一方を制御する請求項２又は請求項３に記載の走行制御システム。
5. 前記タイヤパラメータは、前記タイヤの剛性であるタイヤねじり剛性と、前記タイヤと路面との摩擦特性である路面摩擦係数とを含み、
   前記タイヤパラメータ推定手段は、少なくとも駆動源及び前記タイヤのホイールの回転速度、車体速、及び前記ホイールのトルクに基づいて、前記タイヤねじり剛性及び前記路面摩擦係数を推定する請求項１～請求項４のいずれか１つの項に記載の走行制御システム。
6. 前記タイヤパラメータ推定手段は、前記タイヤねじり剛性及び前記路面摩擦係数に基づいて前記タイヤの前記路面に対する粘着限界に対応した粘着限界スリップ率を推定する請求項５に記載の走行制御システム。
7. 車両の走行制御システムが実行する走行制御方法であって、
   前記車両の周囲の障害物を認識し、
   前記車両のタイヤのタイヤパラメータを推定し、
   前記障害物への接近を避けつつ、かつ前記タイヤのスリップ率の粘着限界スリップ率に対する超過量を抑制するように、前記障害物と前記タイヤパラメータとに基づいて走行経路、加減速量、及び旋回量を設定する走行制御方法。
8. 前記障害物との前記車両との距離に基づくリスクポテンシャルに第１係数を掛けた値と、前記タイヤのスリップ損失に第２係数を掛けた値と、前記車両の運動エネルギーの減少量に第３係数を掛けた値との合計である評価関数が最小になるように、前記走行経路、前記加減速量、及び前記旋回量を設定する請求項７に記載の走行制御方法。
9. 前記評価関数が最小になるときの前記タイヤの目標スリップ率及び目標舵角を設定し、前記目標スリップ率に基づいて前記タイヤの要求駆動力を算出し、
   前記タイヤの実舵角が前記目標舵角と一致するように操舵装置を制御すると共に、前記タイヤの実駆動力が前記要求駆動力と一致するように駆動源及び制動装置の少なくとも一方を制御する請求項８に記載の走行制御方法。

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