JP6618653B1 - 走行経路生成装置および車両制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、走行経路を精度良く生成することが可能な走行経路生成装置、および走行経路生成装置が生成した走行経路に従って走行するように車両の走行制御を行う車両制御装置を提供することを目的とする。本発明による走行経路生成装置（１１）は、車両が走行している領域の情報である走行領域情報を取得する走行領域情報取得部（１５）と、走行領域情報に基づいて、車両が進行すべき経路を表現した曲線の情報を生成する走行経路生成部（１６）とを備え、走行経路生成部（１６）の出力は、車両の操舵制御を司る車両制御部（２１）に与えられ、走行経路生成部（１６）は、走行領域情報のうち、操舵制御に用いられる範囲の走行領域情報の重みを、操舵制御に用いられない範囲の走行領域情報の重みに比べて大きくして、曲線の情報を生成する。

Description

本発明は、車両が走行する走行経路を生成する走行経路生成装置、および当該走行経路生成装置が生成した走行経路に従って走行するように車両の走行制御を行う車両制御装置に関する。

車両の運転支援を行う、または車両の自動走行を行うためには、車両が走行すべき道路または車両が走行可能な領域を検出し、車両が走行すべき経路である走行経路を生成し、生成した走行経路に従って走行するように車両を制御する必要がある。また、生成した走行経路に従って走行するように車両を制御するためには、走行経路と車両との位置誤差だけでなく、走行経路と車両との角度誤差および曲率等の情報をさらに用いた方が、より滑らかに車両を走行経路に従って走行させることができる。

しかし、走行経路が離散的な点列で求められる場合、そのままでは精度のばらつきによって滑らかな走行経路が得られず、乗り心地が悪化するなどの問題が生じることがあった。

上記の問題に対して、従来、自車両の速度およびヨーレートと、自車両の走行車線と、先行車両の位置とに基づいて、走行経路の曲率を推定し、自車両が予め操舵すべき操舵量を算出する車両走行支援装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、走行経路を円弧曲率で表現し、自車両の車速およびヨーレートと、推定曲率の履歴とに基づいて重みを調整して走行経路の推定曲率が滑らかに変化するように演算し、得られた曲率に従って走行経路を走行するように自車両の操舵制御を行っている。

特開２０１４−１３５０１６号公報

特許文献１では、自車両の車速およびヨーレートと、先行車両の位置とに基づいて走行経路の曲率が滑らかに変化するように推定されているだけであり、曲率のみの表現では、例えばカーブの手前で走行経路を表現したときに誤差が生じてしまい、走行経路と自車両が走行すべき実際の道路形状とが一致するとは限らなかった。このように、従来では、走行経路の精度に改善の余地があった。

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、走行経路を精度良く生成することが可能な走行経路生成装置、および走行経路生成装置が生成した走行経路に従って走行するように車両の走行制御を行う車両制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明による走行経路生成装置は、車両が走行している領域の情報であって、道路に沿った複数の位置の集合である点群情報を含む走行領域情報を取得する走行領域情報取得部と、走行領域情報に含まれる点群情報を曲線近似することにより、車両が進行すべき経路を表現した曲線の情報を生成する走行経路生成部とを備え、走行経路生成部の出力は、車両の操舵制御を司る車両制御装置の車両制御部に与えられ、走行経路生成部は、走行領域情報のうち、操舵制御に用いられる範囲の走行領域情報に含まれる点群情報の重みを、操舵制御に用いられない範囲の走行領域情報に含まれる点群情報の重みに比べて大きくして、曲線の情報を生成し、少なくとも車両の速度情報を含む車両情報を取得する車両情報取得部をさらに備え、操舵制御に用いられる範囲は、車両の前方に位置し、かつ速度情報に応じて定められ、操舵制御に用いられない範囲は、操舵制御に用いられる範囲の前後の点群情報である。

本発明によると、走行経路生成装置は、車両が走行している領域の情報であって、道路に沿った複数の位置の集合である点群情報を含む走行領域情報を取得する走行領域情報取得部と、走行領域情報に含まれる点群情報を曲線近似することにより、車両が進行すべき経路を表現した曲線の情報を生成する走行経路生成部とを備え、走行経路生成部の出力は、車両の操舵制御を司る車両制御装置の車両制御部に与えられ、走行経路生成部は、走行領域情報のうち、操舵制御に用いられる範囲の走行領域情報に含まれる点群情報の重みを、操舵制御に用いられない範囲の走行領域情報に含まれる点群情報の重みに比べて大きくして、曲線の情報を生成し、少なくとも車両の速度情報を含む車両情報を取得する車両情報取得部をさらに備え、操舵制御に用いられる範囲は、車両の前方に位置し、かつ速度情報に応じて定められ、操舵制御に用いられない範囲は、操舵制御に用いられる範囲の前後の点群情報であるため、走行経路を精度良く生成することが可能となる。

本発明の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

本発明の実施の形態１による走行経路生成装置を含む車両システムの全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態１による走行経路生成装置の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による走行経路生成装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による車両制御装置の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による車両制御装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による走行経路生成装置の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１による制御参照点を説明するための図である。 本発明の実施の形態１による参照範囲における各点の重みの一例を示す図である。 比較例による重み付けなしの三次関数近似で算出された走行経路の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１による重み付けありの三次関数近似で算出された走行経路の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１による車両制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。 比較例による重み付けなしの三次関数近似で算出された走行経路の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１による重み付けありの三次関数近似で算出された走行経路の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２による走行経路生成装置の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２による参照範囲を説明するための図である。 本発明の実施の形態２による参照範囲における各点の重みの一例を示す図である。 本発明の実施の形態２による車両制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３による走行経路生成装置の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３による参照範囲における各点の重みの一例を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。

＜実施の形態１＞
＜構成＞
図１は、本発明の実施の形態１による走行経路生成装置１１を含む車両システムの全体構成を示す図である。

図１に示すように、車両システムは、車輪２およびハンドル３を備える車両１に適用され、操舵装置４と、アンテナ１０と、位置検出装置６と、地図配信装置７と、車速センサ８と、車両制御装置９と、走行経路生成装置１１と、図示しないヨーレートセンサとを備えている。

なお、図１では、位置検出装置６と地図配信装置７とは別個に構成されているが、これらを一体に構成してもよい。また、走行経路生成装置１１と車両制御装置９とは別個に構成されているが、これらを一体に構成してもよい。

操舵装置４は、例えば、ＥＰＳ（Electric Power Steering）用モータおよびＥＣＵ（Electronic Control Unit）から構成されている。操舵装置４は、車両制御装置９から入力された操舵指令値に従って動作し、ハンドル３または前方の２つの車輪２の回転を制御することができる。

衛星５は、例えば、複数のＧＰＳ（Global Positioning System）衛星から構成されている。なお、本実施の形態１では、衛星５はＧＰＳ衛星であるものとして説明するが、これに限るものでない。衛星５は、例えば、ＧＬＯＮＡＳＳ（Global Navigation Satellite System）等の他の測位衛星であってもよい。

アンテナ１０は、衛星５から送信された衛星信号を受信し、受信した衛星信号を位置検出装置６に出力する。

位置検出装置６は、ＧＰＳ受信機で構成されており、アンテナ１０が受信した衛星信号を処理して車両１の位置および方位角を検出し、検出した車両１の位置および方位角を地図配信装置７および走行経路生成装置１１に出力する。

なお、本実施の形態１では、位置検出装置６はＧＰＳ受信機であるものとして説明するが、これに限るものではない。位置検出装置６は、例えば、ＧＬＯＮＡＳＳ等の他のシステムに対応した受信機であってもよい。

位置検出装置６が検出する位置の精度を上げるために、衛星５から受信した衛星信号またはインターネット経由で補正情報を取得してもよく、位置検出装置６をＤＧＰＳ（Differential GPS）に対応する構成としてもよい。また、位置検出装置６は、外乱に対してロバストな位置検出を行うために、ヨーレートセンサおよび車速センサと組み合わせて車両１の位置および方位角を算出する、すなわちデッドレコニングする構成としてもよい。

車速センサ８は、車両１の走行速度を検出し、検出結果を速度Ｖとして車両制御装置９および走行経路生成装置１１に出力する。なお、図１では、４つの車輪２のうちの１つに設置された車速センサ８が速度Ｖを検出する構成としているが、これに限るものではない。例えば、４つの車輪２のそれぞれに設置された車速センサ８が検出した車速の平均、または後方の２つの車輪２に設置された車速センサ８が検出した車速の平均を車速Ｖとして検出するように構成してもよい。

地図配信装置７は、位置検出装置６から入力された車両１の位置および方位角に基づいて、車両１が走行する道路の情報である道路情報を走行経路生成装置１１に出力する。ここで、道路情報は、例えば、車線中央の緯度および経度で表わされる位置の集合である点群情報、車線数、および道路の曲率などを含んでいる。なお、地図配信装置７は、位置検出装置６から入力された車両１の方位角に基づいて、車両１または当該車両１の近傍を原点とする自車両座標系に変換した点群情報を走行経路生成装置１１に出力してもよい。

図２は、走行経路生成装置１１の構成の一例を示すブロック図である。

図２に示すように、走行経路生成装置１１は、車両位置情報取得部１２と、道路情報取得部１３と、車両情報取得部１４と、走行領域情報取得部１５と、走行経路生成部１６とを備えている。

車両位置情報取得部１２は、位置検出装置６から車両１の現在位置情報を取得する。現在位置情報には、車両１の位置および方位角が含まれている。道路情報取得部１３は、地図配信装置７から道路情報を取得する。車両情報取得部１４は、車両１に設置された各種センサから車両１に関する情報である車両情報を取得する。例えば、車両情報取得部１４は、車速センサ８から車両１の速度情報である速度Ｖを取得する。また、車両情報取得部１４は、図示しないヨーレートセンサから車両１のヨーレートを取得する。

走行領域情報取得部１５は、車両位置情報取得部１２が取得した現在位置情報と、道路情報取得部１３が取得した点群情報と、車両情報取得部１４が取得した車両情報とに基づいて、車両１が走行している領域の情報である走行領域情報を取得する。走行領域情報には、現在位置情報および点群情報が含まれている。

走行経路生成部１６は、走行領域情報取得部１５が取得した走行領域情報に基づいて、車両１が進行すべき経路を表現した曲線の情報を生成する。ここで、車両１が進行すべき経路を表現した曲線とは、車両１の走行経路に相当する。すなわち、走行経路生成部１６は、車両１の走行経路を生成する。走行経路生成部１６が生成した走行経路は、車両制御装置９に出力される。

図３は、走行経路生成装置１１のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

走行経路生成装置１１における車両位置情報取得部１２、道路情報取得部１３、車両情報取得部１４、走行領域情報取得部１５、および走行経路生成部１６の各機能は、処理回路により実現される。すなわち、走行経路生成装置１１は、車両１の現在位置情報を取得し、道路情報を取得し、車両情報を取得し、走行領域情報を取得し、走行経路を生成するための処理回路を備える。処理回路は、メモリ１８に格納されたプログラムを実行するプロセッサ１７（中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）ともいう）である。

走行経路生成装置１１における車両位置情報取得部１２、道路情報取得部１３、車両情報取得部１４、参照範囲決定部１５、および走行経路生成部１６の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ１８に格納される。処理回路は、メモリ１８に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、走行経路生成装置１１は、車両１の現在位置情報を取得するステップ、道路情報を取得するステップ、車両情報を取得するステップ、走行領域情報を取得するステップ、走行経路を生成するステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ１８を備える。また、これらのプログラムは、車両位置情報取得部１２、道路情報取得部１３、車両情報取得部１４、参照範囲決定部１５、および走行経路生成部１６の手順または方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリとは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ＤＶＤ等、または、今後使用されるあらゆる記憶媒体であってもよい。

図４は、車両制御装置９の構成の一例を示すブロック図である。

図４に示すように、車両制御装置９は、走行経路情報取得部１９と、車両情報取得部２０と、車両制御部２１とを備えている。車両制御装置９は、操舵装置４に出力する操舵指令値を生成するＥＣＵとして構成される。

走行経路情報取得部１９は、走行経路生成装置１１から走行経路情報を取得する。車両情報取得部２０は、車速センサ８から車両１に設置された各種センサから車両１に関する情報である車両情報を取得する。例えば、車両情報取得部２０は、車速センサ８から車両１の速度情報である速度Ｖを取得する。また、車両情報取得部２０は、図示しないヨーレートセンサから車両１のヨーレートを取得する。

車両制御部２１は、走行経路情報取得部１９が取得した経路情報と、車両情報取得部２０が取得した車両情報とに基づいて、車両１が走行経路に従って走行するように車両１の操舵制御を行う。具体的には、車両制御部２１は、車両１の操舵制御を行うための操舵指令値を操舵装置４に出力する。

図５は、車両制御装置９のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

車両制御装置９における走行経路情報取得部１９、車両情報取得部２０、および車両制御部２１の各機能は、処理回路により実現される。すなわち、車両制御装置９は、走行経路情報を取得し、車両情報を取得し、車両１の操舵制御を行うための処理回路を備える。処理回路は、メモリ２３に格納されたプログラムを実行するプロセッサ２２である。

車両制御装置９における走行経路情報取得部１９、車両情報取得部２０、および車両制御部２１の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ２３に格納される。処理回路は、メモリ２３に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、車両制御装置９は、走行経路情報を取得するステップ、車両情報を取得するステップ、車両１の操舵制御を行うステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ２３を備える。また、これらのプログラムは、走行経路情報取得部１９、車両情報取得部２０、および車両制御部２１の手順または方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。

＜動作＞
＜走行経路生成装置１１の動作＞
図６は、走行経路生成装置１１の動作の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１１において、走行経路生成部１６は、車両１の位置および方位角と、走行領域における点群情報とに基づいて、点群情報を、車両１を原点として車両１の進行方向をＸ軸とする自車両座標系に変換する。

具体的には、走行経路生成部１６は、緯度、経度、および高度で表される点群情報を、ガウス＝クリューゲル法等の座標変換によって平面上に変換する。本実施の形態１では、東方向をＸ軸、北方向をＹ軸とするメートル座標系に変換する。また、車両１の位置を原点、車両１の進行方向をＸ軸とする自車両座標系に変換するために、点群情報のＸ，Ｙを車両１の位置が原点となるようにオフセットさせ、さらに、車両１の方位角とＸ軸とが一致するように回転させる。

ステップＳ１２において、走行経路生成部１６は、予め設定されている車両１の状態量に応じて定められる、操舵制御に用いられる範囲である制御参照点Ｐｒｅｆを決定する。ここで、車両１の状態量としては、例えば車両１の速度などが挙げられる。

具体的には、制御参照点Ｐｒｅｆは、車両１の速度の一次関数として与えられる。例えば、車速Ｖｘが２０ｍ／ｓであり、２秒後の点が制御参照点Ｐｒｅｆであるとすると、走行経路生成部１６は、下記の式（１）に基づいて車両１の現在位置から制御参照点Ｐｒｅｆまでの距離Ｌｄを算出する。
Ｌｄ＝Ｖｘ×２ ・・・（１）

ここで、例えば、地図が１０ｍ間隔で作成されていれば、図７に示すように、制御参照点Ｐｒｅｆは車両１の近傍点から４つ先の点となる。走行経路生成部１６は、この制御参照点Ｐｒｅｆを操舵制御に用いられる範囲として決定する。すなわち、本実施の形態１では、操舵制御に用いられる範囲は、１つの制御参照点Ｐｒｅｆとなる。なお、図７において、丸印は点群情報を構成する各点を示している。

ステップＳ１３において、走行経路生成部１６は、点群情報を曲線に近似する範囲を決定する。

具体的には、走行経路生成部１６は、ステップＳ１２で決定した制御参照点Ｐｒｅｆを含む参照範囲を決定する。参照範囲とは、走行経路生成部１６が走行経路を生成するときに参照する点群情報の範囲であり、点群情報を曲線に近似する範囲のことをいう。本実施の形態１では、図７に示すように、制御参照点Ｐｒｅｆを基準として前後方向に４０ｍすなわち４点分ずつ参照し、合計９点が参照範囲となる。このように、走行経路生成部１６は、制御参照点Ｐｒｅｆを含む参照範囲を決定する。

ステップＳ１４において、走行経路生成部１６は、参照範囲において、近似時に用いる各点の重みを決定する。

具体的には、走行経路生成部１６は、図８に示すように、参照範囲において、制御参照点Ｐｒｅｆの重みが、制御参照点Ｐｒｅｆ以外の点の重みに比べて大きくなるように決定する。

ステップＳ１５において、走行経路生成部１６は、ステップＳ１４で決定した重みに基づいて、点群情報を曲線近似することによって走行経路を算出する。

具体的には、重み付き最小二乗法による三次関数近似を用いて、ステップＳ１４で決定した重みに基づいて点群の座標を三次関数に近似する。

上記より、制御参照点Ｐｒｅｆの重みを大きくして三次関数近似を行うことによって、重み付けありの三次関数近似で算出された曲線の制御参照点Ｐｒｅｆにおける近似精度（図１０参照）が、重み付けなしの三次関数近似で算出された曲線の制御参照点Ｐｒｅｆにおける近似精度（図９参照）と比べて向上する。

＜車両制御装置９の動作＞
図１１は、車両制御装置９の動作の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ２１において、車両制御部２１は、制御参照点Ｐｒｅｆにおける横偏差ＹＬｄを算出する。

具体的には、走行経路生成装置１１の走行経路生成部１６が算出した三次関数をｘの関数ｙ＝ｆ（ｘ）とすると、横偏差ＹＬｄは、制御参照点Ｐｒｅｆまでの距離Ｌｄを用いて下記の式（２）で表される。
ＹＬｄ＝ｆ（Ｌｄ） ・・・（２）

ステップＳ２２において、車両制御部２１は、車速ＶからゲインＫ１を算出する。

具体的には、走行経路に対して車両１が安定かつ応答良く追従できるように、車両諸元等から求めたゲインを車速可変の関数またはマップとして予め計算しておき、車両１の現在の速度Ｖに応じたゲインＫ１を算出する。

ステップＳ２３において、車両制御部２１は、指令操舵角θｒｅｆを算出する。ここで、指令操舵角θｒｅｆは、車両１の操舵制御を行うために操舵装置４に出力される操舵指令値に相当する。

具体的には、車両制御部２１は、制御参照点Ｐｒｅｆにおける横方向偏差ＹＬｄを小さくするように、車速Ｖに基づいて指令操舵角θｒｅｆを算出する。指令操舵角θｒｅｆは、下記の式（３）で表される。
θｒｅｆ＝Ｋ１×ＹＬｄ ・・・（３）

以上のことから、本実施の形態１によれば、制御参照点Ｐｒｅｆの重みをそれ以外の点に比べて大きくすることによって、制御参照点Ｐｒｅｆにおける近似精度を向上させることが可能となる。例えば、図１２に示すように、重み付けなしの三次関数近似で曲線を算出した場合、各点を三次関数で表現しようとするため、制御参照点Ｐｒｅｆにおける横偏差ＹＬｄが進行方向前方のカーブとは反対方向の負の値となる。従って、車両制御部２１は、右方向へ指令操舵角θｒｅｆを算出するため、走行経路に対する車両１の追従性が低下し、車両１の走行に対して運転者に違和感を与える可能性がある。一方、制御参照点Ｐｒｅｆの重みをそれ以外の点に比べて大きくすることによって、横偏差ＹＬｄを実際の値に近いものとすることができるため、図１３に示すように、ほぼ直進の指令操舵角θｒｅｆとなり、走行経路に対する車両１の追従性が良好に保たれ、車両１の走行に対する運転者の違和感を抑制することができる。

なお、本実施の形態１では、制御参照点Ｐｒｅｆにおける横偏差ＹＬｄによって指令操舵角θｒｅｆを算出する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、下記の式（４），（５）のように、制御参照点Ｐｒｅｆにおける角度偏差ｅＬｄと、Ｋ１と同様に予め定められたゲインＫ２とをさらに用いて指令操舵角θｒｅｆを算出してもよい。
ｅＬｄ＝ｆ’（Ｌｄ） ・・・（４）
θｒｅｆ＝Ｋ１×ＹＬｄ＋Ｋ２×ｅＬｄ ・・・（５）

これにより、車両１の前方における横偏差ＹＬｄだけでなく、角度偏差も考慮して走行経路に従って走行することが可能となり、走行経路に対する車両１の追従性が向上する。

本実施の形態１では、三次関数の近似を用いて走行経路を表現したが、その他の重み付きの近似方法を用いてもよい。例えば、五次関数近似、非一様有理Ｂスプライン（NURBS：Non-Uniform Rational B-Spline）等を用いて走行経路を表現してもよい。この場合も、本実施の形態１と同様の効果が得られる。

本実施の形態１では、走行経路の点群は、道路情報および衛星測位による構成としたが、他の方法で構成してもよい。例えば、Ｌｉｄａｒ（Light detection and ranging）またはカメラ等によって走行経路を検出して離散化したものを走行経路の点群の構成としてもよい。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では、車両１の前方に制御参照点Ｐｒｅｆの重みがそれ以外の点の重みに比べて大きくなるようにする場合について説明した。本発明の実施の形態２では、制御参照点Ｐｒｅｆは車両１の重心位置であり、走行経路生成装置１１が制御参照点Ｐｒｅｆにおける走行経路の接線および曲率を算出し、車両制御装置９が制御参照点Ｐｒｅｆにおける走行経路の接線および曲率に基づいて指令操舵角θｒｅｆを算出する場合について説明する。なお、本実施の形態２による車両１、走行経路生成装置１１、および車両制御装置９の各構成は、実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

＜動作＞
＜走行経路生成装置１１の動作＞
図１４は、走行経路生成装置１１の動作の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ３１において、走行経路生成部１６は、図６のステップＳ１１と同様に、車両１の位置および方位角と、走行領域における点群情報とに基づいて、点群情報を、車両１を原点として車両１の進行方向をＸ軸とする自車両座標系に変換する。次に、走行経路生成部１６は、車両１の重心位置を制御参照点Ｐｒｅｆとする。

ステップＳ３２において、走行経路生成部１６は、点群情報を曲線に近似する範囲を決定する。

具体的には、図１５に示すように、制御参照点Ｐｒｅｆを基準として前後方向にＬｒｅｆｍ、例えばＬｒｅｆ＝２５ｍすなわち５点分ずつ参照し、合計１１点が参照範囲となる。このように、走行経路生成部１６は、制御参照点Ｐｒｅｆを含む参照範囲を決定する。

ステップＳ３３において、走行経路生成部１６は、参照範囲において、近似時に用いる各点の重みを決定する。

具体的には、図１６に示すように、走行経路生成部１６は、参照範囲において、制御参照点Ｐｒｅｆの重みが、制御参照点Ｐｒｅｆ以外の点の重みに比べて大きくなるように決定する。本実施の形態２では、車両１の重心位置を制御参照点Ｐｒｅｆとしているため、車両１の後方の点群を含めた範囲で点群情報を近似することになる。

ステップＳ３４において、走行経路生成部１６は、ステップＳ３３で決定した重みに基づいて、点群情報を曲線近似することによって走行経路を算出する。

具体的には、重み付き最小二乗法による三次関数近似を用いて、ステップＳ３３で決定した重みに基づいて点群の座標を三次関数に近似する。

上記より、車両１の重心位置である制御参照点Ｐｒｅｆの重みを大きくし、車両１の前方および後方の点群の重みが小さくなるように重み付けして三角関数近似を行うことによって、算出された曲線の制御参照点Ｐｒｅｆにおける近似精度が、重み付けなしの三次関数近似で算出された曲線の制御参照点Ｐｒｅｆにおける近似精度と比べて向上する。

＜車両制御装置９の動作＞
図１７は、車両制御装置９の動作の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ４１において、車両制御部２１は、制御参照点Ｐｒｅｆにおける走行経路との位置偏差および傾き偏差と、制御参照点Ｐｒｅｆにおける走行経路の曲率とを算出する。

具体的には、走行経路生成装置１１の走行経路生成部１６が算出した三次関数をｘの関数ｙ＝ｆ（ｘ）とすると、制御参照点Ｐｒｅｆにおける位置偏差ｙ０は下記の式（６）で表され、傾き偏差ｄ０は下記の式（７）で表され、走行経路の曲率κは下記の式（８）で表される。
ｙ０＝ｆ（０） ・・・（６）
ｄ０＝ｆ’（０） ・・・（７）
κ＝（ｆ’ ’（０））／（１＋ｆ’（０））^３／２ ・・・（８）

ステップＳ４２において、車両制御部２１は、車速ＶからゲインＫ１、ゲインＫ２、およびゲインＫ３を算出する。

具体的には、ステップＳ４１で算出した位置偏差ｙ０および傾き偏差ｄ０は車両１と走行経路における接線との関係を表すため、走行経路に対して車両１が安定かつ応答良く追従できるように、車両諸元等から求めたゲインを車速可変の関数またはマップとして予め計算しておき、車両１の現在の速度Ｖに応じたゲインＫ１およびゲインＫ２を算出する。

また、走行経路の曲率κに対して車両１が追従するために必要なヨーレートγｒｅｆは、車速Ｖを用いて下記の式（９）で表される。
γｒｅｆ＝κ×Ｖ ・・・（９）

定常旋回状態における操舵角θとヨーレートγとの関係をθ＝Ｋ３×γとすると、車両諸元等から求めたゲインを車速可変の関数またはマップとして予め計算しておくことができ、車両１の現在の速度Ｖに応じたゲインＫ３を算出する。

指令操舵角θｒｅｆは、上記で算出したゲインＫ１、ゲインＫ２、およびゲインＫ３を用いて下記の式（１０）で表される。
θｒｅｆ＝Ｋ１×ｙ０＋Ｋ２×ｄ０＋Ｋ３×Ｖ×κ ・・・（１０）

以上のことから、本実施の形態２によれば、制御参照点Ｐｒｅｆの重みをそれ以外の点に比べて大きくすることによって、制御参照点Ｐｒｅｆにおける近似精度を向上させることが可能となる。また、制御参照点Ｐｒｅｆの重みをそれ以外の点に比べて大きくすることによって、制御参照点Ｐｒｅｆにおける位置偏差ｙ０、傾き偏差ｄ０、および走行経路の曲率κを実際の値に近いものとすることができるため、走行経路に対する車両１の追従性が良好に保たれ、車両１の走行に対する運転者の違和感を抑制することができる。

＜実施の形態３＞
実施の形態１，２では、制御参照点Ｐｒｅｆが車両１の前方の１点または車両１の重心位置である場合について説明した。本発明の実施の形態３では、制御参照点Ｐｒｅｆが複数ある場合について説明する。なお、本実施の形態３による車両１、走行経路生成装置１１、および車両制御装置９の各構成は、実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

具体的には、車両１の操舵制御にモデル予測制御を用いる。モデル予測制御は、車両のダイナミクスを数学的に表した動的車両モデルを用いて、現時刻ｔからＴｈの期間の状態を予測し、車両の望ましい動作を表現する評価関数Ｊを小さくする制御入力を求める最適化問題を一定期間ごとに解くことによって、最適な指令操舵角θｒｅｆを算出する。以下では、現時刻ｔからＴｈの期間をホライズンと称する。

モデル予測制御では、本実施の形態３では下記の制約付き最適化問題を一定期間ごとに解くことになり、操舵制御に用いられる範囲は１点ではなく、予め定められた幅を有する時刻範囲で定義される。以下では、操舵制御に用いられる範囲のことを制御対象範囲ともいう。このように、制御対象範囲は、複数の制御参照点で構成される。モデル予測制御で用いられる制御対象範囲の点群の重みを、制御対象範囲外の点群に比べて大きくして近似することによって、目標とする走行経路の生成および車両制御が可能となる。

＜動作＞
＜走行経路生成装置１１の動作＞
図１８は、走行経路生成装置１１の動作の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ５１において、走行経路生成部１６は、図６のステップＳ１１と同様に、車両１の位置および方位角と、走行領域における点群情報とに基づいて、点群情報を、車両１を原点として車両１の進行方向をＸ軸とする自車両座標系に変換する。

ステップＳ５２において、走行経路生成部１６は、モデル予測制御の制御対象範囲を決定する。実施の形態１，２では、制御参照点は１点であったが、本実施の形態３では、ホライズンにおける評価関数Ｊが小さくなるように指令操舵角θｒｅｆを算出するため、制御対象範囲は複数点すなわち複数の制御参照点となる。

ステップＳ５３において、走行経路生成部１６は、点群情報を曲線に近似する範囲を決定する。

具体的には、走行経路生成部１６は、現時刻ｔからＴｈの期間の点群を含むように曲線に近似する範囲を決定する。例えば、Ｔｈが３秒であり、現時刻の速度Ｖが２０ｍ／ｓであるとすると、モデル予測制御では、現時刻ｔからＴｈの期間の点群として、車両１の前方のＶ×Ｔｈ＝６０ｍ、すなわち１２点分を参照する。この範囲が制御対象範囲となる。そして、曲線に近似する範囲である参照範囲は、制御対象範囲の前後５点ずつを含む範囲、すなわち合計２２点分となる。この例では、車両１の位置は６点目となる。

ステップＳ５４において、走行経路生成部１６は、参照範囲において、近似時に用いる各点の重みを決定する。

具体的には、図１９に示すように、参照範囲において、制御対象範囲であるホライズンの範囲の重みが、制御対象範囲以外の重みに比べて大きくなるように決定する。本実施の形態３では、制御対象範囲は現時刻ｔから３秒間としているため、車両１の後方の点群を含めた範囲で点群情報を近似することになる。

ステップＳ５５において、走行経路生成部１６は、ステップＳ５４で決定した重みに基づいて、点群情報を曲線近似することによって走行経路を算出する。

具体的には、重み付き最小二乗法による三次関数近似を用いて、ステップＳ５４で決定した重みに基づいて点群の座標を三次関数に近似する。

上記より、制御対象範囲であるホライズンの範囲の重みを大きくし、制御対象範囲以外の点群の重みが小さくなるように重み付けして三角関数近似を行うことによって、算出されたホライズンの範囲における近似精度が、重み付けなしの三次関数近似で算出されたホライズンの範囲における近似精度と比べて向上する。

＜車両制御装置９の動作＞
車両制御部２１は、モデル予測制御を用いて指令操舵角θｒｅｆを算出する。本実施の形態３では、車両制御部２１は、下記の式（１１）に示す制約付き最適化問題を一定期間ごと、例えば１００ｍｓｅｃごとに解く。

ここで、Ｊは評価関数、ｘは車両状態量、ｕは制御入力、ｆは動的車両モデルに関するベクトル値関数、ｘ０は時刻ｔにおける車両状態量、ｇは制約条件に関する関数である。

なお、上記の式（１１）に示す制約付き最適化問題は、評価関数の符号を反転させることによって最大化問題と等価になる。従って、以下の説明では最小化問題について説明するが、最大化問題として取り扱うことができる。

本実施の形態では、車両状態量ｘと制御入力ｕとを下記の式（１２），（１３）のように設定する。

ここで、ｘ_ｂｃは自車両座標系における車両のｘ_ｂ座標、ｙ_ｂｃは自車両座標系における車両１のｘ_ｃ座標、θ_ｂｃは自車両座標系における方位、βは横滑り角、γは車両ヨーレート、δは舵角、ｓ_δは舵角速度である。

また、動的車両モデルとして、下記の式（１４）に示す二輪モデルを用いる。

ここで、Ｍは車両質量、Ｖは車速、γはヨーレート、Ｉは車両のヨー慣性モーメント、ｌｆおよびｌｒは車両重心と前後車軸までの距離、ＹｆおよびＹｒは前後輪のコーナリングフォースである。

通常の走行の際にはβ≒０とすることができるので、ＹｆおよびＹｒは車両の固有の値である前後輪のコーナリングスティフネスＣｆおよびＣｒを用いて、下記の式（１５），（１６）のように近似できる。

上記の式（１５），（１６）を用いて、動的車両モデルｆは下記の式（１７）のようになる。

本実施の形態３では、評価関数Ｊは下記の式（１８）を用いる。

ここで、ｔは現在時刻、Ｔｈはホライズン、τはホライズン内の時刻、ｘｆは時刻ｔ＋Ｔにおける車両状態量、ｐは走行経路ｐを表すインデックス、Ｎｐは走行経路の総数である。

評価関数Ｊ内のｚは、ホライズン内の時刻τにおいて予測される車両状態のうちｙ_ｂｃおよびヨー角θ_ｂｃをまとめたベクトル、すなわちｚ＝［ｙ_ｂｃ、θ_ｂｃ］^Ｔであり、ｚ_ｐは走行経路ｐのｘ_ｂｃにおけるｙ_ｂｃと角度θ_ｂｐをまとめたベクトル、すなわちｚ_ｐ＝［ｙ_ｂｐ、θ_ｂｐ］^Ｔである。

ここで、走行経路ｐを三次の多項式で表現すると下記の式（１９），（２０）で求められる。
ｘ_ｂｐ＝Ｃ_ｐ３・ｘ_ｂｃ３＋Ｃ_ｐ２・ｘ_ｂｃ２＋Ｃ_ｐ１・ｘ_ｂｃ＋Ｃ_ｐ０ ・・・（１９）
θ_ｂｐ＝ｔａｎ^−１（３・Ｃ_Ｐ３・ｘ_ｂｃ ^２＋２・Ｃ_ｐ２・ｘ_ｂｃ＋Ｃ_ｐ１） ・・・（２０）

走行経路の重み生成手段で得られたΩ_ｐは、走行経路ｐに対する重みを対角に並べた行列であって、走行経路ｐの重みをω_ｐとすると下記の式（２１）で設定される。

評価関数Ｊのうち、

の項は、予測される車両の位置および方位と、走行経路ｐごとにΩ_ｐによって重みを付けて評価される。

従って、重みの小さい走行経路に対する偏差が大きくても、評価関数Ｊの出力に対する影響は小さく、重みの大きい走行経路との偏差が大きいほど評価関数Ｊの出力は大きくなるため、重みの大きな走行経路にできるだけ追従するような操舵制御が行われる。

Ｑは、車両状態量のうち、抑えたい状態量の大きさにして設定する行列であり、通常対角行列が設定される。すなわち、車両状態量ｘに対するＱは下記の式（２２）で設定される。

ここで、ｑ_１〜ｑ_５は各状態量に対する定数であって、各状態量についてこの値を大きくすれば、評価関数Ｊに対する影響が大きくなるため、該当する変数の大きさが抑えられるように操舵制御される。

ｒは操舵速度ｓ_δの大きさに対する定数であり、ｒの値を大きくすれば評価関数Ｊに対する影響が大きくなるため、制御入力の大きさが抑えられるように操舵制御される。

次に、制約条件に関するベクトル値関数ｇについて説明する。関数ｇは、制約付き最適化問題において、車両状態量ｘと、制御入力ｕの上下限値を設定するためのものであり、最適化はｇ（ｘ，ｕ）≦０の条件のもと実行される。

本実施の形態３では、制約条件を次のように設定する。すなわち、操舵速度ｓ_δの上限値をｓ_δｍａｘ（＞０）、操舵速度ｓ_δの下限値をｓ_δｍｉｘ（＜０），ヨーレートγの上限値をγ_ｍａｘ（＞０）、ヨーレートγの下限値をγ_ｍｉｘ（＜０）、操舵角δの上限値をδ_ｍａｘ（＞０）、操舵角δの下限値をδ_ｍｉｘ（＜０）として、下記の式（２３）に示すベクトル値関数ｇを設定する。

このように、ベクトル値関数ｇを設定すれば、操舵速度ｓ_δ、滑り角β、ヨーレートγ、および操舵角δは、設定した上下限値のもと最適化される。

滑り角β、ヨーレートγ、および操舵角δの上下限値を設定することによって、危険な車両運動となることを避けることができる。また、操舵速度ｓ_δの上下限値を設定することによって、乗り心地を確保した操舵制御を行うことができる。

以上のことから、本実施の形態３によれば、モデル予測制御のように、予め定められた範囲または複数の点群を用いて操舵制御を行うような構成において、制御対象範囲の重みを制御対象範囲以外の重みと比べて大きく設定して近似することによって、走行経路に対する車両の追従性をより向上させることができ、車両の走行に係る安全性および快適性を向上させることができる。

なお、本実施の形態３では、制約条件を設定したが、制約条件を設定しなくてもよい。すなわち、ベクトル値関数ｇを定義しない構成としてもよい。この場合、制約条件がないため最適化問題における実行不可解を出力することはないため、安定的に最適化を算出することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

１ 車両、２ 車輪、３ ハンドル、４ 操舵装置、５ 衛星、６ 位置検出装置、７ 地図配信装置、８ 車速センサ、９ 車両制御装置、１０ アンテナ、１１ 走行経路生成装置、１２ 車両位置情報取得部、１３ 道路情報取得部、１４ 車両情報取得部、１５ 走行領域情報取得部、１６ 走行経路生成部、１７ プロセッサ、１８ メモリ、１９ 走行経路情報取得部、２０ 車両情報取得部、２１ 車両制御部、２２ プロセッサ、２３ メモリ。

Claims (9)

1. 車両が走行している領域の情報であって、道路に沿った複数の位置の集合である点群情報を含む走行領域情報を取得する走行領域情報取得部と、
   前記走行領域情報に含まれる前記点群情報を曲線近似することにより、前記車両が進行すべき経路を表現した曲線の情報を生成する走行経路生成部と、
   を備え、
   前記走行経路生成部の出力は、前記車両の操舵制御を司る車両制御装置の車両制御部に与えられ、
   前記走行経路生成部は、前記走行領域情報のうち、前記操舵制御に用いられる範囲の前記走行領域情報に含まれる前記点群情報の重みを、前記操舵制御に用いられない範囲の前記走行領域情報に含まれる前記点群情報の重みに比べて大きくして、前記曲線の情報を生成し、
   少なくとも前記車両の速度情報を含む車両情報を取得する車両情報取得部をさらに備え、
   前記操舵制御に用いられる範囲は、前記車両の前方に位置し、かつ前記速度情報に応じて定められ、
   前記操舵制御に用いられない範囲は、前記操舵制御に用いられる範囲の前後の前記点群情報であることを特徴とする、走行経路生成装置。
2. 車両が走行している領域の情報であって、道路に沿った複数の位置の集合である点群情報を含む走行領域情報を取得する走行領域情報取得部と、
   前記走行領域情報に含まれる前記点群情報を曲線近似することにより、前記車両が進行すべき経路を表現した曲線の情報を生成する走行経路生成部と、
   を備え、
   前記走行経路生成部の出力は、前記車両の操舵制御を司る車両制御装置の車両制御部に与えられ、
   前記走行経路生成部は、前記走行領域情報のうち、前記操舵制御に用いられる範囲の前記走行領域情報に含まれる前記点群情報の重みを、前記操舵制御に用いられない範囲の前記走行領域情報に含まれる前記点群情報の重みに比べて大きくして、前記曲線の情報を生成し、
   前記操舵制御に用いられる範囲は、前記車両の重心位置であり、
   前記操舵制御に用いられない範囲は、前記操舵制御に用いられる範囲の前後の前記点群情報であることを特徴とする、走行経路生成装置。
3. 車両が走行している領域の情報であって、道路に沿った複数の位置の集合である点群情報を含む走行領域情報を取得する走行領域情報取得部と、
   前記走行領域情報に含まれる前記点群情報を曲線近似することにより、前記車両が進行すべき経路を表現した曲線の情報を生成する走行経路生成部と、
   を備え、
   前記走行経路生成部の出力は、前記車両の操舵制御を司る車両制御装置の車両制御部に与えられ、
   前記走行経路生成部は、前記走行領域情報のうち、前記操舵制御に用いられる範囲の前記走行領域情報に含まれる前記点群情報の重みを、前記操舵制御に用いられない範囲の前記走行領域情報に含まれる前記点群情報の重みに比べて大きくして、前記曲線の情報を生成し、
   前記操舵制御に用いられる範囲および前記操舵制御に用いられない範囲は点列であり、
   前記走行経路生成部は、前記操舵制御に用いられる範囲の点列の重みを、前記操舵制御に用いられない範囲の点列の重みに比べて大きくして、前記曲線の情報を生成し、
   前記操舵制御に用いられる範囲は、前記車両の位置とその前後の複数の位置とからなる前記点群情報であることを特徴とする、走行経路生成装置。
4. 前記操舵制御に用いられる範囲および前記操舵制御に用いられない範囲は点列であり、
   前記走行経路生成部は、前記操舵制御に用いられる範囲の点列の重みを、前記操舵制御に用いられない範囲の点列の重みに比べて大きくして、前記点群情報を重み付き最小二乗法による三次関数近似することにより、前記曲線の情報を生成することを特徴とする、請求項１から３のいずれか1項に記載の走行経路生成装置。
5. 前記車両の現在位置情報を取得する車両位置情報取得部と、
   前記点群情報を含む道路情報を取得する道路情報取得部と、
   少なくとも前記車両の速度情報を含む車両情報を取得する車両情報取得部と、
   をさらに備え、
   前記走行領域情報取得部は、前記現在位置情報と、前記点群情報と、前記車両情報とに基づく前記走行領域情報を取得し、
   前記走行経路生成部は、前記現在位置情報と、前記点群情報と、前記車両情報とに基づいて、前記曲線の情報を生成するときに参照する前記点群情報の範囲である参照範囲を決定し、当該参照範囲において、前記点群情報のうちの前記操舵制御に用いられる位置に対応する制御参照点の重みを、前記操舵制御に用いられない前記制御参照点以外の点の重みに比べて大きくして、前記曲線の情報を生成することを特徴とする、請求項１から３に記載の走行経路生成装置。
6. 前記走行経路生成部は、前記車両の現在位置から、前記車両の速度に予め定められた時間を乗じた位置までを前記参照範囲として決定することを特徴とする、請求項５に記載の走行経路生成装置。
7. 前記走行経路生成部が生成した前記曲線の情報を取得する走行経路情報取得部と、
   前記走行経路情報取得部が取得した前記曲線の情報に基づいて、前記車両が前記進行すべき経路に従って走行するように前記車両の操舵制御を行う前記車両制御部と、
   を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の車両制御装置。
8. 前記走行経路生成部が生成した前記曲線の情報を取得する走行経路情報取得部と、
   前記走行経路情報取得部が取得した前記曲線の情報に基づいて、前記車両が前記進行すべき経路に従って走行するように前記車両の操舵制御を行う前記車両制御部と、
   を備え、
   前記車両制御部は、前記制御参照点における前記曲線の曲率、前記制御参照点と前記曲線との距離、および前記制御参照点における前記曲線のベクトルと前記車両の速度ベクトルとがなす角度のうちの少なくとも１つを用いて前記操舵制御を行うことを特徴とする、請求項５または６に記載の車両制御装置。
9. 前記走行経路生成部が生成した前記曲線の情報を取得する走行経路情報取得部と、
   前記走行経路情報取得部が取得した前記曲線の情報に基づいて、前記車両が前記進行すべき経路に従って走行するように前記車両の操舵制御を行う前記車両制御部と、
   を備え、
   前記車両制御部は、前記制御参照点と前記曲線との距離、および前記制御参照点における前記曲線のベクトルと前記車両の速度ベクトルとがなす角度のうちの少なくとも１つを用いた評価関数に基づいて前記操舵制御を行うことを特徴とする、請求項５または６に記載の車両制御装置。

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