JP6868102B2 - 車両制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、自車両の走行制御を少なくとも部分的に自動で行う車両制御装置に関する。

従来から、自車両の走行制御を少なくとも部分的に自動で行う車両制御装置が知られている。例えば、先行する他車両との関係を考慮しつつ、自車両を円滑に走行させるための運転支援技術又は自動運転技術が種々開発されている。

特許第４３６６４１９号公報（図１１等）では、自車両の走行レーンから隣接レーンに車線変更しようとする際に、隣接レーンを走行する他車両との関係を考慮したバネ・マス・ダンパモデルに従って、自車位置を制御する装置が提案されている。

ところで、このバネ・マス・ダンパモデルを追従制御に適用する場合、先行する他車両の走行挙動が急激に変化した際、その変化に対する応答性が相対的に低くなってしまう短所がある。具体的には、自車両及び他車両が一定の速度及び一定の車間距離を保ちながら走行している途中で、他車両が急に減速を開始した場合、自車両の減速動作が遅れてしまう傾向がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたものであり、先行する他車両の走行挙動が急激に変化した場合であっても、高い応答性でその変化に対処可能な車両制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る車両制御装置は、自車両の走行制御を少なくとも部分的に自動で行う装置であって、前記自車両の外界状態を検出する外界状態検出部と、前記外界状態検出部により前記自車両の前方に検出された他車両に対する追従制御を実行可能な走行制御部と、前記追従制御に関わる追従変数を生成する追従変数生成部と、を備え、前記追従変数生成部は、現時点より先の予測時点における前記他車両の予測位置を算出し、前記予測位置から目標車間距離だけ手前にある目標位置を設定し、前記予測時点において前記自車両を前記目標位置に到達させる第１追従変数を決定する。

このように、他車両の予測位置から目標車間距離だけ手前にある目標位置を設定し、現時点より先の予測時点において自車両を目標位置に到達させる第１追従変数を決定するので、他車両の走行挙動にかかわらず将来的な特定の時点にて、目標車間距離に等しい車間距離を確保する追従制御が可能となる。これにより、先行する他車両の走行挙動が急激に変化した場合であっても、高い応答性でその変化に対処することができる。

また、前記追従変数生成部は、前記第１追従変数とは異なる車両挙動モデルに基づいて第２追従変数を決定し、少なくとも前記第１追従変数及び前記第２追従変数を入力とする演算処理を行うことで前記追従変数を生成してもよい。これにより、車両挙動モデルに応じて異なる２つの応答性を折衷可能となり、追従制御に関する最適化設計の柔軟性が高くなる。

また、前記追従変数生成部は、前記車両挙動モデルとしてのバネ・マス・ダンパモデルに基づいて前記第２追従変数を決定してもよい。バネ・マス・ダンパモデルには、目標車間距離よりも大きく離れた遠方から自車両が他車両に近づいていく際に、他車両に対処する応答性が相対的に高くなるという長所がある。つまり、この長所を取り入れた追従制御を行うことができる。

また、前記追従変数生成部は、最小値演算処理を行うことで前記追従変数を生成してもよい。

また、前記追従変数生成部は、前記自車両の走行シーンに応じて異なる前記演算処理を行うことで前記追従変数を生成してもよい。

また、前記追従変数生成部は、前記追従変数として、前記自車両の速度、加速度及びジャークのうち少なくとも１つを生成してもよい。

本発明に係る車両制御装置によれば、先行する他車両の走行挙動が急激に変化した場合であっても、高い応答性でその変化に対処することができる。

本発明の一実施形態における車両制御装置の構成を示すブロック図である。 図１の車両制御装置における主要な特徴部を示す機能ブロック図である。 図２に示す目標速度生成部の詳細ブロック図である。 図２に示す制限付与部の詳細ブロック図である。 自車両と他車両の間の位置関係を示す図である。 予見車間モデルによる走行挙動の決定方法を示す図である。 バネ・マス・ダンパモデルによる走行挙動の決定方法を示す図である。 図８Ａ−図８Ｄは、バネ・マス・ダンパモデルに基づく追従制御を行った結果を示す図である。 図９Ａ−図９Ｄは、車間予見モデル及びバネ・マス・ダンパモデルに基づく追従制御を行った結果を示す図である。 図１０Ａ−図１０Ｄは、車間予見モデルに基づく追従制御を行った結果を示す図である。 図１１Ａ−図１１Ｄは、車間予見モデル及びバネ・マス・ダンパモデルに基づく追従制御を行った結果を示す図である。 図１２Ａ−図１２Ｃは、車間予見モデル及びバネ・マス・ダンパモデルに基づく追従制御を行った結果を示す図である。

以下、本発明に係る車両制御装置について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

［車両制御装置１０の構成］
＜全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態における車両制御装置１０の構成を示すブロック図である。車両制御装置１０は、車両（図５の自車両１１０）に組み込まれており、かつ、自動又は手動により車両の走行制御を行う。この「自動運転」は、車両の走行制御をすべて自動で行う「完全自動運転」のみならず、走行制御を部分的に自動で行う「部分自動運転」（或いは、運転支援）を含む概念である。

車両制御装置１０は、基本的には、入力系装置群と、制御システム１２と、出力系装置群とから構成される。入力系装置群及び出力系装置群をなす各々の装置は、制御システム１２に通信線を介して接続されている。

入力系装置群は、外界センサ１４と、通信装置１６と、ナビゲーション装置１８と、車両センサ２０と、自動運転スイッチ２２と、操作デバイス２４に接続された操作検出センサ２６と、を備える。出力系装置群は、車輪を駆動する駆動力装置２８と、当該車輪を操舵する操舵装置３０と、当該車輪を制動する制動装置３２と、を備える。

＜入力系装置群の具体的構成＞
外界センサ１４は、車両の外界状態を示す情報（以下、外界情報）を取得する複数のカメラ３３と複数のレーダ３４を備え、取得した外界情報を制御システム１２に出力する。外界センサ１４は、さらに、複数のＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging；光検出と測距／Laser Imaging Detection and Ranging；レーザ画像検出と測距）を備えてもよい。

通信装置１６は、路側機、他車両、及びサーバを含む外部装置と通信可能に構成されており、例えば、交通機器に関わる情報、他車両に関わる情報、プローブ情報又は最新の地図情報を送受信する。なお、地図情報は、ナビゲーション装置１８に記憶されると共に、地図情報として記憶装置４０の地図情報記憶部４２にも記憶される。

ナビゲーション装置１８は、車両の現在位置を検出可能な衛星測位装置と、ユーザインタフェース（例えば、タッチパネル式のディスプレイ、スピーカ及びマイク）を含んで構成される。ナビゲーション装置１８は、車両の現在位置又はユーザによる指定位置に基づいて、指定した目的地までの経路を算出し、制御システム１２に出力する。ナビゲーション装置１８により算出された経路は、経路情報として記憶装置４０の経路情報記憶部４４に記憶される。

車両センサ２０は、車両の速度（車速）を検出する速度センサ、いわゆる縦加速度を検出する縦加速度センサ、いわゆる横加速度を検出する横加速度センサ、垂直軸周りの角速度を検出するヨーレートセンサ、向き・方位を検出する方位センサ、勾配を検出する勾配センサを含み、各センサからの検出信号を制御システム１２に出力する。これらの検出信号は、自車状態情報Ｉｖｈとして記憶装置４０の自車状態情報記憶部４６に記憶される。

操作デバイス２４は、アクセルペダル、ステアリングホイール、ブレーキペダル、シフトレバー、及び方向指示レバーを含んで構成される。操作デバイス２４には、ドライバによる操作の有無や操作量、操作位置を検出する操作検出センサ２６が取り付けられている。

操作検出センサ２６は、検出結果としてアクセル踏込量（アクセル開度）、ハンドル操作量（操舵量）、ブレーキ踏込量、シフト位置、右左折方向等を走行制御部６０に出力する。

自動運転スイッチ２２は、ハードスイッチ又はソフトスイッチからなり、ユーザのマニュアル操作により、「自動運転モード」と「手動運転モード」を含む複数の運転モードを切り替え可能に構成される。

自動運転モードは、ドライバが、操作デバイス２４（具体的には、アクセルペダル、ステアリングホイール及びブレーキペダル）の操作を行わない状態で、車両が制御システム１２による制御下に走行する運転モードである。換言すれば、自動運転モードは、制御システム１２が、逐次決定される行動計画（短期的には、後述する短期軌道Ｓｔ）に基づいて、駆動力装置２８、操舵装置３０、及び制動装置３２の一部又は全部を制御する運転モードである。

なお、ドライバが、自動運転モード中に操作デバイス２４の操作を開始した場合には、自動運転モードは自動的に解除されると共に、運転の自動化レベルが相対的に低い運転モード（手動運転モードを含む）に切り替わる。

＜出力系装置群の具体的構成＞
駆動力装置２８は、駆動力制御用ＥＣＵ（電子制御装置；Electronic Control Unit）と、エンジン・駆動モータを含む駆動源から構成される。駆動力装置２８は、走行制御部６０から入力される車両制御値Ｃｖｈに従って車両が走行するための走行駆動力（トルク）を生成し、トランスミッションを介し、或いは直接的に車輪に伝達する。

操舵装置３０は、ＥＰＳ（電動パワーステアリングシステム）用ＥＣＵと、ＥＰＳ装置とから構成される。操舵装置３０は、走行制御部６０から入力される車両制御値Ｃｖｈに従って車輪（操舵輪）の向きを変更する。

制動装置３２は、例えば、油圧式ブレーキを併用する電動サーボブレーキであり、制動力制御用ＥＣＵと、ブレーキアクチュエータとから構成される。制動装置３２は、走行制御部６０から入力される車両制御値Ｃｖｈに従って車輪を制動する。

＜制御システム１２の構成＞
制御システム１２の機能実現部は、１つ又は複数のＣＰＵ（Central Processing Unit）が、非一過性の記憶媒体（例えば、記憶装置４０）に記憶されているプログラムを実行することにより機能が実現されるソフトウェア機能部である。これに代わって、機能実現部は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の集積回路からなるハードウェア機能部であってもよい。

制御システム１２は、記憶装置４０及び走行制御部６０の他、外界認識部５２と、認識結果受信部５３と、局所環境マップ生成部５４と、統括制御部７０と、長期軌道生成部７１と、中期軌道生成部７２と、短期軌道生成部７３と、を含んで構成される。ここで、統括制御部７０は、認識結果受信部５３、局所環境マップ生成部５４、長期軌道生成部７１、中期軌道生成部７２、及び短期軌道生成部７３のタスク同期を制御することで、各部の統括制御を行う。

外界認識部５２は、走行制御部６０からの自車状態情報Ｉｖｈを参照した上で、入力系装置群により入力された各種情報（例えば、外界センサ１４からの外界情報）を用いて、レーンマーク・停止線・信号機等の標示物を認識した後、標示物の位置情報又は車両の走行可能領域を含む「静的」な外界認識情報を生成する。また、外界認識部５２は、入力された各種情報を用いて、駐停車車両等の障害物、人・他車両等の交通参加者、又は信号機の灯色を含む「動的」な外界認識情報を生成する。

なお、静的及び動的な外界認識情報はそれぞれ、外界認識情報Ｉｐｒとして記憶装置４０の外界認識情報記憶部４５に記憶される。

認識結果受信部５３は、演算指令Ａａに応答して、所定の演算周期Ｔｏｃ内に受信した外界認識情報Ｉｐｒを更新カウンタのカウント値と共に、統括制御部７０に出力する。ここで、演算周期Ｔｏｃは、制御システム１２の内部での基準の演算周期であり、例えば、数１０ｍｓ程度の値に設定されている。

局所環境マップ生成部５４は、統括制御部７０からの演算指令Ａｂに応答して、自車状態情報Ｉｖｈ及び外界認識情報Ｉｐｒを参照し、演算周期Ｔｏｃ内に局所環境マップ情報Ｉｅｍを生成して、更新カウンタのカウント値と共に、統括制御部７０に出力する。すなわち、制御の開始時には、局所環境マップ情報Ｉｅｍが生成されるまでに、演算周期２×Ｔｏｃを要する。

局所環境マップ情報Ｉｅｍは、車両の走行環境をマップ化した情報であり、概略的には、外界認識情報Ｉｐｒに対して自車状態情報Ｉｖｈ及び理想走行経路を合成してなる。局所環境マップ情報Ｉｅｍは、記憶装置４０の局所環境マップ情報記憶部４７に記憶される。

長期軌道生成部７１は、統括制御部７０からの演算指令Ａｃに応答して、局所環境マップ情報Ｉｅｍ（外界認識情報Ｉｐｒのうち静的な成分のみ利用）、自車状態情報Ｉｖｈ、及び地図情報記憶部４２に記憶されている道路地図（カーブの曲率等）を参照して、相対的に最も長い演算周期（例えば、９×Ｔｏｃ）で長期軌道Ｌｔを生成する。そして、長期軌道生成部７１は、生成した長期軌道Ｌｔを更新カウンタのカウント値と共に、統括制御部７０に出力する。なお、長期軌道Ｌｔは、軌道情報Ｉｒとして、記憶装置４０の軌道情報記憶部４８に記憶される。

中期軌道生成部７２は、統括制御部７０からの演算指令Ａｄに応答して、局所環境マップ情報Ｉｅｍ（外界認識情報Ｉｐｒのうち、動的な成分及び静的な成分の両方を利用）、自車状態情報Ｉｖｈ、及び長期軌道Ｌｔを参照して、相対的に中位の演算周期（例えば、３×Ｔｏｃ）で中期軌道Ｍｔを生成する。そして、中期軌道生成部７２は、生成した中期軌道Ｍｔを更新カウンタのカウント値と共に、統括制御部７０に出力する。なお、中期軌道Ｍｔは、長期軌道Ｌｔと同様に、軌道情報Ｉｒとして、記憶装置４０の軌道情報記憶部４８に記憶される。

短期軌道生成部７３は、統括制御部７０からの演算指令Ａｅに応答して、局所環境マップ情報Ｉｅｍ（外界認識情報Ｉｐｒのうち、動的な成分及び静的な成分の両方を利用）、自車状態情報Ｉｖｈ、及び中期軌道Ｍｔを参照し、相対的に最も短い演算周期（例えば、Ｔｏｃ）で短期軌道Ｓｔを生成する。そして、短期軌道生成部７３は、生成した短期軌道Ｓｔを更新カウンタのカウント値と共に、統括制御部７０及び走行制御部６０に同時に出力する。なお、短期軌道Ｓｔは、長期軌道Ｌｔ及び中期軌道Ｍｔと同様に、軌道情報Ｉｒとして、軌道情報記憶部４８に記憶される。

なお、長期軌道Ｌｔは、例えば１０秒間程度の走行時間における軌道を示し、乗り心地・快適性を優先した軌道である。また、短期軌道Ｓｔは、例えば１秒間程度の走行時間における軌道を示し、車両ダイナミクスの実現及び安全性の高さを優先した軌道である。中期軌道Ｍｔは、例えば５秒間程度の走行時間における軌道を示し、長期軌道Ｌｔ及び短期軌道Ｓｔに対する中間的な軌道である。

短期軌道Ｓｔは、短周期Ｔｓ（＝Ｔｏｃ）毎の車両の走行軌道（つまり、目標挙動の時系列）を示すデータセットに相当する。短期軌道Ｓｔは、例えば、縦方向（Ｘ軸）の位置ｘ、横方向（Ｙ軸）の位置ｙ、姿勢角θｚ（ヨー角）、速度Ｖ、加速度Ｇ、曲率ρ、ヨーレートγ、操舵角δｓｔをデータ単位とする軌道プロット（ｘ，ｙ，θｚ，Ｖ，Ｇ，ρ、γ、δｓｔ）である。また、長期軌道Ｌｔ又は中期軌道Ｍｔは、周期がそれぞれ異なるものの、短期軌道Ｓｔと同様に定義されたデータセットである。

走行制御部６０は、短期軌道Ｓｔから特定される走行挙動（目標挙動の時系列）に従って、車両を走行制御するための各々の車両制御値Ｃｖｈを決定する。そして、走行制御部６０は、得られた各々の車両制御値Ｃｖｈを、駆動力装置２８、操舵装置３０、及び制動装置３２に出力する。つまり、走行制御部６０は、短期軌道Ｓｔの各値に対応する１種類以上の走行制御を実行可能に構成される。

レーンキープ（車線維持）の際の走行態様の種類として、定速走行、追従走行、減速走行、カーブ走行、又は障害物回避走行が含まれる。例えば、ＡＣＣ（Adaptive Cruise Control）制御は、車間距離を略一定（つまり、目標車間距離）に保ちながら、先行する他車両に対して追従走行させる「追従制御」の一種である。

＜主要な特徴部＞
図２は、図１の車両制御装置１０における主要な特徴部を示す機能ブロック図である。車両制御装置１０は、局所環境マップ生成部５４（図１）の他、外界状態検出部８０と、情報取得部８２と、目標速度生成部８４と、制限付与部８６と、加減速制御部８８と、を備える。

外界状態検出部８０は、図１に示す外界センサ１４に相当する。情報取得部８２、目標速度生成部８４及び制限付与部８６は、図１に示す短期軌道生成部７３に相当する。加減速制御部８８は、図１に示す走行制御部６０に相当する。

外界状態検出部８０（具体的には、図１のカメラ３３又はレーダ３４）は、自車両１１０（図５）の外界状態を検出する。例えば、カメラ３３を用いることで、自車両１１０が走行中の道路１１２（図５）を含む撮像画像が得られる。

情報取得部８２は、外界状態検出部８０による検出結果を含む局所環境マップ情報Ｉｅｍから、短期軌道Ｓｔの生成に供される各種情報を取得する。この情報には、例えば、上記した自車状態情報Ｉｖｈの他、レーンマーク（図５のレーンマーク１１７、１１８）の形状を特定可能なレーンマーク情報、他車両（図５の他車両１２０）の位置及び動きを特定可能な他車両情報が含まれる。

目標速度生成部８４は、情報取得部８２により取得された各種情報を用いて、目標速度の時系列パターンを示す短期軌道Ｓｔを生成する。制限付与部８６は、情報取得部８２により取得された各種情報を用いて制限速度の時系列パターン（以下、制限速度パターン）を設定し、目標速度生成部８４に向けて出力する。つまり、制限付与部８６は、短期軌道Ｓｔの生成に制限速度を反映させることで、自車両１１０の走行挙動（ここでは速度）を制限する。

加減速制御部８８は、自車両１１０に対して、目標速度生成部８４により生成された目標速度に合わせる加速制御又は減速制御を行う。具体的には、加減速制御部８８は、短期軌道Ｓｔが示す速度パターン（車両制御値Ｃｖｈ）を駆動力装置２８又は制動装置３２に出力する。

＜目標速度生成部８４の詳細ブロック図＞
図３は、図２に示す目標速度生成部８４の詳細ブロック図である。目標速度生成部８４は、パターン生成部９１と、軌道候補生成部９２と、軌道評価部９３と、出力軌道生成部９４と、を備える。

パターン生成部９１は、自車状態情報Ｉｖｈ及び局所環境マップ情報Ｉｅｍを用いて、短期軌道Ｓｔの生成に供される２種類のパターンに関するバリエーション群を生成する。具体的には、パターン生成部９１は、［１］速度Ｖの時系列を示す速度パターン（縦パターン）と、［２］操舵角δｓｔの時系列を示す操舵角パターン（横パターン）、に関するバリエーション群をそれぞれ生成する。

軌道候補生成部９２は、パターン生成部９１により生成されたパターンのバリエーション群を用いて、短期軌道Ｓｔの候補（以下、単に「軌道候補」という）を生成する。具体的には、軌道候補生成部９２は、速度パターン及び操舵角パターンを組み合わせることで、２次元位置（ｘ，ｙ）の時系列情報をそれぞれ含む、多数の軌道候補を生成する。なお、直近に生成された短期軌道Ｓｔ（以下、前回出力軌道）が存在する場合、その軌道との整合性を図るための拘束条件を設けてもよい。

軌道評価部９３は、軌道候補生成部９２により生成された多数の軌道候補に対してそれぞれ、所定の評価基準に従った評価処理を行う。評価基準として、局所環境マップ情報Ｉｅｍ（レーンマーク及び先行車両の検出結果を含む）又は上位階層軌道（中期軌道Ｍｔ）が参照される。なお、軌道評価部９３は、制限付与部８６（図２）による制限速度パターンを参照し、自車両１１０が制限速度以下で走行するように評価基準を変更することができる。

評価手法としては、例えば、軌道プロット（ｘ，ｙ，θｚ，Ｖ，Ｇ，ρ、γ、δｓｔ）を構成する１つ以上の変数と目標値（参照値）の偏差を求め、この偏差を得点化し、重み付け演算により総合得点を算出する手法が挙げられる。例えば、特定のパラメータに対応する重み係数を相対的に大きくすることで、特定のパラメータを重視した評価結果が得られる。

＜制限付与部８６の詳細ブロック図＞
図４は、図２に示す制限付与部８６の詳細ブロック図である。制限付与部８６は、追従変数生成部９６と、ミニマムセレクタ９８と、を備える。

追従変数生成部９６は、自車状態情報Ｉｖｈの他、他車両１２０に関する車両情報（以下、他車両情報）を用いて、他車両１２０に追従するための理想的な追従変数（例えば、理想追従速度）を生成する。この他車両情報には、他車両１２０の位置、速度、加速度又はジャークが含まれる。

ミニマムセレクタ９８は、追従変数生成部９６により生成された理想追従速度と、３種類の制限速度候補Ａ、Ｂ、Ｃのうち最小となる速度を選択し、制限速度パターンとして出力する。制限速度候補Ａは、法規制に基づく速度の上限値（いわゆる法定速度）である。制限速度候補Ｂは、レーン曲率に基づいて算出される、安定した走行挙動を保つための速度の上限値である。制限速度候補Ｃは、信号機の標示状態及び停止線に基づいて算出される、所定の停止位置にて停車可能な速度の上限値である。

［車両制御装置１０の動作］
本実施形態における車両制御装置１０は、以上のように構成される。続いて、車両制御装置１０の動作について、図５−図７を参照しながら説明する。

図５は、自車両１１０と他車両１２０の間の位置関係を示す図である。自車両１１０は、概ね直線状であって片側３車線の道路１１２上を走行している。道路１１２上には、レーン１１４、１１５、１１６を区画するための破線状のレーンマーク１１７、１１８が標示されている。

本図から理解されるように、他車両１２０は、自車両１１０に対して先行しながら同一のレーン１１５上を走行している。ここで、走行制御部６０は、自車両１１０に先行する他車両１２０に対して、追従制御を実行中であることを想定する。

＜ＳＴＥＰ１．検出ステップ＞
先ず、外界状態検出部８０は、自車両１１０の周辺にある静止物としてレーンマーク１１７、１１８を、自車両１１０の周辺にある移動物として他車両１２０をそれぞれ検出する。そして、車両制御装置１０は、外界センサ１４による検出結果に基づいて（又は、車車間通信を介して他車両１２０から）他車両情報を取得する。

図５に示す例では、レーン１１５の延在方向、つまり自車両１１０の進行方向に沿ってＸ軸が定義されている。自車両１１０の基準位置（例えば、後輪車軸の中点位置）を原点Ｏとする。なお、レーン１１５が直線状である場合、道なり距離（Ｓ軸）は、Ｘ軸上の位置と実質的に等しくなる。

車間距離Ｄは、自車両１１０の先端位置（フロントグリルの位置）と、他車両１２０の後端位置との間の距離である。ここで、オフセット量ｏｆｓは、原点Ｏから先端位置までの長さである。また、目標車間距離Ｄｔａｒは、車間距離設定部１００により予め設定された車間距離である。

ここで、自車両１１０の走行位置、道なり距離、速度及び加速度をそれぞれ（ｘ０、ｓ０、ｖ０、ａ０）とする。一方、他車両１２０の位置、道なり距離、速度及び加速度をそれぞれ（ｘ１、ｓ１、ｖ１、ａ１）とする。

＜ＳＴＥＰ２．第１決定ステップ＞
次いで、第１加速度決定部１０２は、第１車両挙動モデルに基づいて自車両１１０の走行挙動（ここでは、第１加速度）を決定する。この第１車両挙動モデルは、予見時間Ｔｐの経過時に車間距離Ｄ＝Ｄｔａｒを満たすように自車両１１０の走行挙動を決定するモデル（以下、予見車間モデルという）に相当する。

この決定に先立ち、第１加速度決定部１０２は、ステップＳ１の検出にて得られた他車両情報（ｘ１、ｓ１、ｖ１、ａ１）を用いて、他車両１２０の将来的な位置（以下、予測位置１３２）を予測する。この予測位置１３２は、予見時間Ｔｐ（任意の正値）の経過時点における他車両１２０の位置に相当する。

図６は、予見車間モデルによる走行挙動の決定方法を示す図である。グラフの横軸は時間ｔ（単位：ｓ）を示し、グラフの縦軸は道なり距離ｓ（単位：ｍ）を示す。

予測曲線１３０は、他車両１２０の道なり距離Ｓｐ（ｔ）の予測結果を示す曲線である。道なり距離Ｓｐ（ｔ）は、一般的には、任意の予測関数ｆ（・）を用いて、次の（１）式のように表現される。
Ｓｐ（ｔ）＝ｆ（ｔ，ｓ１，ｖ１，ａ１） ‥‥（１）

予測曲線１３０の一方の端点は、ｔ＝０における他車両１２０の位置（ｓ１；以下、他車位置１３１）に対応する。また、予測曲線１３０の他方の端点は、ｔ＝Ｔｐにおける他車両１２０の位置（以下、予測位置１３２）に対応する。

一方、目標曲線１３４は、自車両１１０の道なり距離Ｓｅ（ｔ）の予測結果を示す曲線である。道なり距離Ｓｅ（ｔ）は、既知値としての（ｓ０、ｖ０）及び未知値としての加速度β１（第１加速度）を用いて、次の（２）式のように表現される。
Ｓｅ（ｔ）＝ｓ０＋ｏｆｓ＋ｖ０・ｔ＋β１・ｔ・ｔ／２ ‥‥（２）

目標曲線１３４の一方の端点は、ｔ＝０における自車両１１０の位置（ｓ０；以下、自車位置１３５）に対応する。また、目標曲線１３４の他方の端点は、ｔ＝Ｔｐにおける自車両１１０の位置（以下、目標位置１３６）に対応する。

ここで、予見車間モデルによれば、目標位置１３６は、予測位置１３２から目標車間距離Ｄｔａｒだけ手前の位置にあることを想定する。この場合、次の（３）式に示す関係が満たされる。
Ｓｅ（Ｔｐ）＝Ｓｐ（Ｔｐ）−Ｄｔａｒ ‥‥（３）

（１）−（３）式を用いて、加速度β１は、以下の（４）式で求められる。ただし、Δ＝Ｄｔａｒ＋ｓ０＋ｏｆｓである。
β１＝２・｛Ｓｐ（Ｔｐ）−ｖ０・Ｔｐ−Δ｝／（Ｔｐ・Ｔｐ） ‥‥（４）

＜ＳＴＥＰ３．第２決定ステップ＞
次いで、第２加速度決定部１０４は、第２車両挙動モデルに基づいて自車両１１０の走行挙動（ここでは、第２加速度）を決定する。この第２車両挙動モデルは、自車両１１０を質量部分（マス）とするバネ・マス・ダンパモデルに相当する。

図７は、バネ・マス・ダンパモデルによる走行挙動の決定方法を示す図である。グラフの横軸は、道なり距離ｓ（単位：ｍ）に相当する。このモデルは、自車両１１０に相当する仮想自車両１４０（質量Ｍ）と、他車両１２０に相当する仮想他車両１４２との間の位置関係を記述している。仮想自車両１４０と仮想他車両１４２の間には、バネ１４４（バネ定数；ｋ）及びダンパ１４６（減衰係数；ｃ）が並列に設けられている。

仮想自車両１４０が自由端であり、仮想他車両１４２が固定端であると仮定すると、未知値としての加速度β２（第２加速度）を用いて、以下の（５）式で示す運動方程式が得られる。ただし、ｄｖ＝ｖ１−ｖ０、ｄｓ＝ｓ０＋ｏｆｓ−（ｓ１−Ｄｔａｒ）である。
Ｍ・β２＝−ｋ・ｄｓ−ｃ・ｄｖ ‥‥（５）

（５）式を変形すると、加速度β２は、以下の（６）式により求められる。ただし、Δ＝Ｄｔａｒ＋ｓ０＋ｏｆｓである。
β２＝−ｋ・（Δ−ｓ１）／Ｍ−ｃ・（ｖ１−ｖ０）／Ｍ ‥‥（６）

ここで、目標車間距離Ｄｔａｒを確保するため、臨界減衰（ξ＝１）として設計されている。つまり、定数ｃ、ｋ、Ｍは、次の（７）式に示す関係を満たすように各値が設定される点に留意する。
ｃ＝２√（Ｍ・ｋ） ‥‥（７）

＜ＳＴＥＰ４．演算ステップ＞
次いで、加速度演算部１０６は、ステップＳ２、Ｓ３でそれぞれ決定された加速度β１、β２を入力とする任意の演算処理を行うことで、目標加速度βを生成する。例えば、加速度演算部１０６は、より小さい値を選択する最小値演算処理を行うことで、加速度β１、β２のうちいずれか小さい方Ｍｉｎ（β１，β２）を目標加速度βとして出力する。なお、加速度演算部１０６の出力値は、最小値に限られず、最大値、平均値、重み付け平均値を含む任意の合成値であってもよい。

また、加速度演算部１０６は、自車両１１０の走行シーンに応じて異なる演算処理を行ってもよい。例えば、加速度演算部１０６は、［１］他車両１２０が発進した場合、［２］他車両１２０が加速した場合、又は［３］他車両１２０がレーン変更した場合に、加速度β１（又はβ２）のみを出力してもよい。

その後、追従変数生成部９６は、加速度演算部１０６により得られた目標加速度βを時間ｔで積分して速度パターンを生成した後、理想追従速度としてミニマムセレクタ９８に出力する。

なお、追従変数生成部９６は、自車両１１０に関する理想追従速度を生成して出力しているが、これに限られない。具体的には、追従変数生成部９６は、追従変数として、自車両１１０の速度、加速度及びジャークのうち少なくとも１つを生成してもよい。

＜ＳＴＥＰ５．走行制御ステップ＞
最後に、走行制御部６０は、制限付与部８６により速度が制限された状態下に自車両１１０の走行制御を継続する。このようにして、自車両１１０は、逐次的に設定される予測時点にて目標車間距離Ｄｔａｒに等しい車間距離Ｄを確保しながら、先行する他車両１２０に対して追従走行する。

［追従制御の結果］
続いて、本実施形態における追従制御（追従変数生成部９６の動作）による結果について、図８Ａ−図１２Ｃを参照しながら説明する。

＜例１：加速度β２に基づく追従制御（比較例）＞
図８Ａ−図８Ｄは、バネ・マス・ダンパモデルに基づく追従制御を行った結果を示す図である。ここでは、自車両１１０及び他車両１２０が一定の速度及び一定の車間距離Ｄを保ちながらレーン１１５を走行している途中、他車両１２０が急に減速を開始した場合を想定する。

図８Ａは、他車両１２０が減速を開始した時点（時間ｔ＝０）における自車両１１０及び他車両１２０の位置関係を示す図である。図８Ｂは、自車両１１０が停止した時点（時間ｔ＝Ｔｓ）における自車両１１０及び他車両１２０の位置関係を示す図である。

図８Ｃは、図８Ａ及び図８Ｂの走行シーンにおける自車両１１０の速度（自車速度）の時間変化を示す図である。グラフの横軸は時間ｔ（単位：ｓ）を示し、グラフの縦軸は自車速度（単位：ｋｍ／ｈ）を示す。このグラフの定義は、後述する図９Ｃ、図１０Ｃ、図１１Ｃについても同様である。

図８Ｄは、図８Ａ及び図８Ｂの走行シーンにおける自車両１１０の加速度（自車加速度）の時間変化を示す図である。グラフの横軸は時間ｔ（単位：ｓ）を示し、グラフの縦軸は自車加速度（単位：Ｇ）を示す。このグラフの定義は、後述する図９Ｄ、図１０Ｄ、図１１Ｄについても同様である。

図８Ｃ及び図８Ｄから理解されるように、他車両１２０が急に減速を開始した場合に、自車両１１０が減速動作を開始するタイミングが遅れ、車間距離Ｄは、自車両１１０の停止の際に目標車間距離Ｄｔａｒ＝６０［ｍ］よりも小さくなってしまう（図８Ｂ）。

＜例２：加速度β１、β２に基づく追従制御（実施例）＞
図９Ａ−図９Ｄは、車間予見モデル及びバネ・マス・ダンパモデルに基づく追従制御（最小値演算）を行った結果を示す図である。走行シーンは、図８Ａ−図８Ｂの場合と同様とする。

図９Ａは、他車両１２０が減速を開始した時点（時間ｔ＝０）における自車両１１０及び他車両１２０の位置関係を示す図である。図９Ｂは、自車両１１０が停止した時点（時間ｔ＝Ｔｓ）における自車両１１０及び他車両１２０の位置関係を示す図である。

図９Ｃ及び図９Ｄから理解されるように、他車両１２０が急に減速を開始した場合であっても、自車両１１０は、高い応答性で減速動作を開始し、目標車間距離Ｄｔａｒ＝６０［ｍ］よりも大きい車間距離Ｄにて停止する（図９Ｂ）。

＜例３：加速度β１に基づく追従制御（参考例）＞
図１０Ａ−図１０Ｄは、車間予見モデルに基づく追従制御を行った結果を示す図である。ここでは、レーン１１５上に他車両１２０が停止している状態で、目標車間距離Ｄｔａｒよりも大きく離れた遠方から自車両１１０が他車両１２０に近づいていく場合を想定する。

図１０Ａは、自車両１１０が他車両１２０を認識した時点（時間ｔ＝０）における自車両１１０及び他車両１２０の位置関係を示す図である。図１０Ｂは、自車両１１０が停止した時点（時間ｔ＝Ｔｓ）における自車両１１０及び他車両１２０の位置関係を示す図である。

図１０Ｃ及び図１０Ｄから理解されるように、停止中の他車両１２０に接近する際に、自車両１１０が減速動作を開始するタイミングが遅れ、車間距離Ｄは、自車両１１０の停止の際に目標車間距離Ｄｔａｒ＝６０［ｍ］よりも小さくなってしまう（図１０Ｂ）。

＜例４：加速度β１、β２に基づく追従制御（実施例）＞
図１１Ａ−図１１Ｄは、車間予見モデル及びバネ・マス・ダンパモデルに基づく追従制御（最小値演算）を行った結果を示す図である。走行シーンは、図１０Ａ−図１０Ｂの場合と同様とする。

図１１Ｃ及び図１１Ｄから理解されるように、停止中の他車両１２０に接近する場合であっても、自車両１１０は、高い応答性で減速動作を開始し、目標車間距離Ｄｔａｒ＝６０［ｍ］よりも大きい車間距離Ｄにて停止する（図１１Ｂ）。

＜例５：加速度β１、β２に基づく追従制御（実施例）＞
図１２Ａ−図１２Ｃは、車間予見モデル及びバネ・マス・ダンパモデルに基づく追従制御（最小値演算）を行った結果を示す図である。ここでは、自車両１１０及び他車両１２０が一定の速度及び一定の車間距離Ｄを保ちながらレーン１１５を走行している途中、他車両１２０の走行挙動が変化した場合を想定する。

図１２Ａは、他車両１２０の速度（他車速度）の時間変化を示す図である。グラフの横軸は時間ｔ（単位：ｓ）を示し、グラフの縦軸は他車速度（単位：ｋｍ／ｈ）を示す。本グラフは、定速走行、減速動作、定速走行、減速動作、定速走行、加速動作を順次行う他車両１２０の走行パターンを示す。

図１２Ｂは、自車両１１０の速度（自車速度）の時間変化を示す図である。グラフの横軸は時間ｔ（単位：ｓ）を示し、グラフの縦軸は自車速度（単位：ｋｍ／ｈ）を示す。

図１２Ｃは、自車両１１０と他車両１２０の間の車間距離Ｄの時間変化を示す図である。グラフの横軸は時間ｔ（単位：ｓ）を示し、グラフの縦軸は車間距離Ｄ（単位：ｍ）を示す。図１２Ｂ及び図１２Ｃから理解されるように、自車両１１０は、常にＤ＞Ｄｔａｒの関係を保ちながら、他車両１２０の走行パターンに追従した動作を行う。

［車両制御装置１０による効果］
以上のように、車両制御装置１０は、自車両１１０の走行制御を少なくとも部分的に自動で行う装置であって、［１］自車両１１０の外界状態を検出する外界状態検出部８０と、［２］自車両１１０の前方に検出された他車両１２０に対する追従制御を実行可能な走行制御部６０と、［３］追従制御に関わる追従変数を生成する追従変数生成部９６と、を備える。

また、車両制御装置１０を用いた車両制御方法は、自車両１１０の走行制御を少なくとも部分的に自動で行う方法であって、［１］自車両１１０の外界状態を検出する検出ステップと、［２］自車両１１０の前方に検出された他車両１２０に対する追従制御を実行可能な制御ステップと、［３］追従制御に関わる追従変数を生成する生成ステップと、を１つ又は複数のコンピュータが実行する。

そして、追従変数生成部９６は、［４］現時点（ｔ＝０）より先の予測時点（ｔ＝Ｔｐ）における他車両１２０の予測位置１３２を算出し、［５］予測位置１３２から目標車間距離Ｄｔａｒだけ手前にある目標位置１３６を設定し、［６］予測時点（ｔ＝Ｔｐ）において自車両１１０を目標位置１３６に到達させる第１追従変数（例えば、加速度β１）を決定する。

このように、他車両１２０の予測位置１３２から目標車間距離Ｄｔａｒだけ手前にある目標位置１３６を設定し、予測時点（ｔ＝Ｔｐ）において自車両１１０を目標位置１３６に到達させる第１追従変数を決定するので、他車両１２０の走行挙動にかかわらず将来的な特定の時点（ｔ＝Ｔｐ）にて、目標車間距離Ｄｔａｒに等しい車間距離Ｄを確保する追従制御が可能となる。これにより、先行する他車両１２０の走行挙動が急激に変化した場合であっても、高い応答性でその変化に対処することができる。

また、追従変数生成部９６は、第１追従変数とは異なる車両挙動モデルに基づいて第２追従変数（例えば、加速度β２）を決定し、少なくとも第１追従変数及び第２追従変数を入力とする演算処理を行うことで追従変数（目標加速度β）を生成してもよい。これにより、車両挙動モデルに応じて異なる２つの応答性を折衷可能となり、追従制御に関する最適化設計の柔軟性が高くなる。

また、追従変数生成部９６は、車両挙動モデルとしてのバネ・マス・ダンパモデルに基づいて第２追従変数を決定してもよい。バネ・マス・ダンパモデルには、目標車間距離Ｄｔａｒよりも大きく離れた遠方から自車両１１０が他車両１２０に近づいていく際に、他車両１２０に対処する応答性が相対的に高くなるという長所がある。つまり、この長所を取り入れた追従制御を行うことができる。

［補足］
なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。或いは、技術的に矛盾が生じない範囲で各々の構成を任意に組み合わせてもよい。

Claims (5)

1. 自車両（１１０）の走行制御を少なくとも部分的に自動で行う車両制御装置（１０）であって、
   前記自車両（１１０）の外界状態を検出する外界状態検出部（８０）と、
   前記外界状態検出部（８０）により前記自車両（１１０）の前方に検出された他車両（１２０）に対する追従制御を実行可能な走行制御部（６０）と、
   前記追従制御に関わる追従変数を生成する追従変数生成部（９６）と、を備え、
   前記追従変数生成部（９６）は、
   現時点より先の予測時点における前記他車両（１２０）の予測位置（１３２）を算出し、
   前記予測位置（１３２）から目標車間距離（Ｄｔａｒ）だけ手前にある目標位置（１３６）を設定し、
   前記予測時点において前記自車両（１１０）を前記目標位置（１３６）に到達させる第１追従変数を決定し、
   前記第１追従変数とは異なる車両挙動モデルとしてのバネ・マス・ダンパモデルに基づいて第２追従変数を決定し、
   少なくとも前記第１追従変数及び前記第２追従変数を入力とする演算処理を行うことで前記追従変数を生成し、
   更に、前記自車両（１１０）の走行シーンが、前記他車両が発進したシーン、前記他車両が加速したシーン、又は前記他車両がレーン変更したシーンである場合は、前記第１追従変数のみを入力とする前記演算処理を行うことで前記追従変数を生成する
   ことを特徴とする車両制御装置（１０）。
2. 請求項１に記載の車両制御装置（１０）において、
   複数の制限速度候補を有するミニマムセレクタ（９８）を更に備え、
   前記ミニマムセレクタ（９８）は、前記第１追従変数に含まれる速度と、前記複数の制限速度候補とのうち、最小となる速度を、前記追従変数として生成する
   ことを特徴とする車両制御装置（１０）。
3. 請求項２に記載の車両制御装置（１０）において、
   前記複数の制限速度候補は、法規制に基づく速度の上限値、安定した走行挙動を保つための速度の上限値、又は所定の停止位置にて停車可能な速度の上限値である
   ことを特徴とする車両制御装置（１０）。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両制御装置（１０）において、
   前記追従変数生成部（９６）は、最小値演算処理を行うことで前記追従変数を生成する
   ことを特徴とする車両制御装置（１０）。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両制御装置（１０）において、
   前記追従変数生成部（９６）は、前記追従変数として、前記自車両（１１０）の速度、加速度及びジャークのうち少なくとも１つを生成する
   ことを特徴とする車両制御装置（１０）。

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