JP7074660B2 - 自動運転車両システム - Google Patents

Description

本発明は、自動運転による合流が可能な自動運転車両システムに関する。

従来より、高速道路における自車両の合流を支援する装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の装置では、本線を走行する他車両の位置と速度とを含む交通情報に基づいて、自車両が本線に合流可能な車間スペースを検出し、合流可能なスペースがある場合には第１の合流案内を行う。一方、合流可能なスペースがない場合には、自車両の減速または停止を指示した後に、第２の合流案内を行う。

特許文献１：特開２００６－２４４１４２号公報

ところで、本線の他車両の走行を妨げずに合流を実現するためには、本線の合流地点に到るまでの間に自車両を十分に加速させる必要がある。しかしながら、加速性能は車両毎に異なるため、例えば加速性能の低い自車両を自動運転によって合流させる場合、車間距離が十分に長い場合にしか合流することができず、このため、合流可能な機会が減少し、合流前の停止状態の時間が長くなるおそれがある。

本発明の一態様である自動運転車両システムは、自動運転車両の周辺状況を検出する周辺状況検出部と、周辺状況検出部により検出された周辺状況に応じて、自動運転車両の行動計画を生成する行動計画生成部と、行動計画生成部により生成された行動計画に応じて自動運転車両の走行用アクチュエータを制御する走行制御部と、を備える。行動計画生成部は、自動運転車両が第１車線を走行中に、第１車線上の停止地点に至るまでに自動運転車両が第２車線の第１車両とその後方の第２車両との間の合流地点に合流が可能か否かを判定する第１合流判定部と、第１合流判定部により合流可能でないと判定されたとき、自動運転車両が前記停止地点で停車した状態から第２車線の合流地点に合流が可能か否かを判定する第２合流判定部と、第１合流判定部と第２合流判定部との判定結果に応じて、自動運転車両の合流走行の行動計画を生成する合流指令部と、停止地点を設定する停止地点設定部と、を有し、第１合流判定部および第２合流判定部は、所定時間後の第１車両と第２車両との車間距離が所定値以上であり、かつ、自動運転車両が合流地点に所定時間内に到達可能であり、かつ、所定時間後の自動運転車両の車速が目標車速まで上昇可能であるとき、合流地点に合流が可能と判定し、停止地点設定部は、自動運転車両の停止状態から発生し得る最大加速度が大きいほど、第１地点を車両進行方向側に設定する。

本発明によれば、加速性能が低い自動運転車両であっても、加速性能が高い自動運転車両と同様に、スムーズな合流走行を実現することができる。

本発明の実施形態に係る自動運転車両システムが適用される自動運転車両の走行系の概略構成を示す図。 本発明の実施形態に係る自動運転車両システムの全体構成を概略的に示すブロック図。 図２の行動計画生成部で生成された合流走行時における行動計画の一例を示す図。 図２のコントローラの構成をより詳細に示すブロック図。 合流走行時の合流地点の算出方法を説明するための図。 合流走行前の車両の停止地点の一例を示す図。 合流走行時の目標車速の変化の一例を示す図。 図４の行動計画生成部における処理の一例を示すフローチャート。 本発明の実施形態に係る自動運転車両システムの主要な動作の一例を具体的に示す図。

以下、図１～図９を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る自動運転車両システムは、自動運転機能を有する車両（自動運転車両）に適用される。図１は、本実施形態に係る自動運転車両システムが適用される自動運転車両２００（単に車両または自車両と呼ぶこともある）の走行系の概略構成を示す図である。車両２００は、ドライバによる運転操作が不要な自動運転モードでの走行だけでなく、ドライバの運転操作による手動運転モードでの走行も可能である。なお、本実施形態では、アクセル操作、ブレーキ操作および操舵の全ての操作が不要な運転モードを自動運転モードと呼ぶ。

図１に示すように、車両２００は、エンジン１と、変速機２とを有する。エンジン１は、スロットルバルブ１１を介して供給される吸入空気とインジェクタ１２から噴射される燃料とを適宜な割合で混合し、点火プラグ等により点火して燃焼させ、これにより回転動力を発生する内燃機関（例えばガソリンエンジン）である。なお、ガソリンエンジンに代えてディーゼルエンジン等、各種エンジンを用いることもできる。吸入空気量はスロットルバルブ１１により調節され、スロットルバルブ１１の開度は、電気信号により作動するスロットル用アクチュエータの駆動によって変更される。スロットルバルブ１１の開度およびインジェクタ１２からの燃料の噴射量（噴射時期、噴射時間）はコントローラ４０（図２）により制御される。

変速機２は、エンジン１と駆動輪３との間の動力伝達径路に設けられ、エンジン１からの回転を変速し、かつエンジン１からのトルクを変換して出力する。変速機２で変速された回転は駆動輪３に伝達され、これにより車両２００が走行する。なお、エンジン１の代わりに、あるいはエンジン１に加えて、駆動源としての走行用モータを設け、電気自動車やハイブリッド自動車として車両２００を構成することもできる。

変速機２は、例えば複数の変速段に応じて変速比を段階的に変更可能な有段変速機である。なお、変速比を無段階に変更可能な無段変速機を、変速機２として用いることもできる。図示は省略するが、トルクコンバータを介してエンジン１からの動力を変速機２に入力してもよい。変速機２は、例えばドグクラッチや摩擦クラッチなどの係合要素２１を備え、油圧制御装置２２が油圧源から係合要素２１への油の流れを制御することにより、変速機２の変速段を変更することができる。油圧制御装置２２は、電気信号により駆動する制御弁を有し、制御弁の駆動に応じて係合要素２１への圧油の流れを変更することで、適宜な変速段を設定できる。

図２は、本発明の実施形態に係る自動運転車両システム１００の全体構成を概略的に示すブロック図である。図２に示すように、自動運転車両システム１００は、コントローラ４０と、コントローラ４０にそれぞれ電気的に接続された外部センサ群３１と、内部センサ群３２と、入出力装置３３と、ＧＰＳ受信機３４と、地図データベース３５と、ナビゲーション装置３６と、通信ユニット３７と、走行用アクチュエータＡＣとを主に有する。

外部センサ群３１は、車両２００の周辺情報である外部状況を検出する複数のセンサの総称である。例えば外部センサ群３１には、車両２００の全方位の照射光に対する散乱光を測定して車両２００から周辺の障害物までの距離を測定するライダ、電磁波を照射し反射波を検出することで車両２００の周辺の他車両や障害物等を検出するレーダ、車両２００に搭載され、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を有して車両２００の周辺（前方、後方および側方）を撮像するカメラなどが含まれる。外部センサ群３１による検出信号はコントローラ４０に送信される。

内部センサ群３２は、車両２００の走行状態や車内の状態を検出する複数のセンサの総称である。例えば内部センサ群３２には、車両２００の車速を検出する車速センサ、車両２００の前後方向の加速度および左右方向の加速度（横加速度）をそれぞれ検出する加速度センサ、エンジン１の回転数を検出するエンジン回転数センサ、車両２００の重心の鉛直軸回りの回転角速度を検出するヨーレートセンサ、スロットルバルブ１１の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサなどが含まれる。手動運転モードでのドライバの運転操作、例えばアクセルペダルの操作、ブレーキペダルの操作、ステアリングの操作等を検出するセンサも内部センサ群３２に含まれる。内部センサ群３２による検出信号はコントローラ４０に送信される。

入出力装置３３は、ドライバから指令が入力されたり、ドライバに対し情報が出力されたりする装置の総称である。例えば入出力装置３３には、操作部材の操作によりドライバが各種指令を入力する各種スイッチ、ドライバが音声で指令を入力するマイク、ドライバに表示画像を介して情報を提供する表示部、ドライバに音声で情報を提供するスピーカなどが含まれる。各種スイッチには、自動運転モードおよび手動運転モードのいずれかを指令する手動自動切換スイッチが含まれる。

手動自動切換スイッチは、例えばドライバが手動操作可能なスイッチとして構成され、スイッチ操作に応じて、自動運転機能を有効化した自動運転モードまたは自動運転機能を無効化した手動運転モードへの切換指令を出力する。手動自動切換スイッチの操作によらず、所定の走行条件が成立したときに、手動運転モードから自動運転モードへの切換、あるいは自動運転モードから手動運転モードへの切換を指令することもできる。すなわち、手動自動切換スイッチが自動的に切り換わることで、モード切換を手動ではなく自動で行うこともできる。

ＧＰＳ受信機３４は、複数のＧＰＳ衛星からの測位信号を受信し、受信した信号に基づいて車両２００の絶対位置（緯度、経度など）を測定する。ＧＰＳ受信機３４からの信号はコントローラ４０に送信される。

地図データベース３５は、ナビゲーション装置３６に用いられる一般的な地図情報を記憶する装置であり、例えばハードディスクにより構成される。地図情報には、道路の位置情報、道路形状（曲率など）の情報、交差点や分岐点の位置情報が含まれる。なお、地図データベース３５に記憶される地図情報は、コントローラ４０の記憶部４２に記憶される高精度な地図情報とは異なる。

ナビゲーション装置３６は、ドライバにより入力された目的地までの道路上の目標経路を探索するとともに、目標経路に沿った案内を行う装置である。目的地の入力および目標経路に沿った案内は、入出力装置３３を介して行われる。目標経路は、ＧＰＳ受信機３４により測定された車両２００の現在位置と、地図データベース３５に記憶された地図情報とに基づいて演算される。

通信ユニット３７は、インターネット回線などの無線通信網を含むネットワークを介して図示しない各種サーバと通信し、地図情報および交通情報などを定期的に、あるいは任意のタイミングでサーバから取得する。取得した地図情報は、地図データベース３５や記憶部４２に出力され、地図情報が更新される。取得した交通情報には、渋滞情報や、信号が赤から青に変わるまでの残り時間等の信号情報が含まれる。

アクチュエータＡＣは、車両２００の走行動作に関する各種機器を作動するための機器である。アクチュエータＡＣには、図１に示すエンジン１のスロットルバルブ１１の開度（スロットル開度）を調整するスロットル用アクチュエータ、係合要素２１への油の流れを制御して変速機２の変速段を変更する変速用アクチュエータ、ブレーキ装置を作動するブレーキ用アクチュエータ、およびステアリング装置を駆動する操舵用アクチュエータなどが含まれる。

コントローラ４０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）により構成される。なお、エンジン制御用ＥＣＵ、変速機制御用ＥＣＵ等、機能の異なる複数のＥＣＵを別々に設けることができるが、図２では、便宜上、これらＥＣＵの集合としてコントローラ４０が示される。コントローラ４０は、ＣＰＵ等の演算部４１と、ＲＯＭ，ＲＡＭ，ハードディスク等の記憶部４２と、図示しないその他の周辺回路とを有するコンピュータを含んで構成される。

記憶部４２には、車線の中央位置の情報や車線位置の境界の情報等を含む高精度の詳細な地図情報が記憶される。より具体的には、地図情報として、道路情報、交通規制情報、住所情報、施設情報、電話番号情報等が記憶される。道路情報には、高速道路、有料道路、国道などの道路の種別を表す情報、道路の車線数、各車線の幅員、道路の勾配、道路の３次元座標位置、車線のカーブの曲率、車線の合流ポイントおよび分岐ポイントの位置、道路標識等の情報が含まれる。交通規制情報には、工事等により車線の走行が制限または通行止めとされている情報などが含まれる。記憶部４２には、変速動作の基準となるシフトマップ（変速線図）、各種制御のプログラム、プログラムで用いられる閾値等の情報も記憶される。

演算部４１は、自動走行に関する機能的構成として、自車位置認識部４３と、外界認識部４４と、行動計画生成部４５と、走行制御部４６とを有する。

自車位置認識部４３は、ＧＰＳ受信機３４で受信した車両２００の位置情報および地図データベース３５の地図情報に基づいて、地図上の車両２００の位置（自車位置）を認識する。記憶部４２に記憶された地図情報（建物の形状などの情報）と、外部センサ群３１が検出した車両２００の周辺情報とを用いて自車位置を認識してもよく、これにより自車位置を高精度に認識することができる。なお、道路上や道路脇の外部に設置されたセンサで自車位置を測定可能であるとき、そのセンサと通信ユニット３７を介して通信することにより、自車位置を高精度に認識することもできる。

外界認識部４４は、ライダ、レーダ、カメラ等の外部センサ群３１からの信号に基づいて車両２００の周囲の外部状況を認識する。例えば車両２００の周辺を走行する周辺車両（前方車両や後方車両）の位置や速度や加速度、車両２００の周囲に停車または駐車している周辺車両の位置、および他の物体の位置や状態などを認識する。他の物体には、標識、信号機、道路の境界線や停止線、建物、ガードレール、電柱、看板、歩行者、自転車等が含まれる。他の物体の状態には、信号機の色（赤、青、黄）、歩行者や自転車の移動速度や向きなどが含まれる。

行動計画生成部４５は、例えばナビゲーション装置３６で演算された目標経路と、自車位置認識部４３で認識された自車位置と、外界認識部４４で認識された外部状況とに基づいて、現時点から所定時間先までの車両２００の走行軌道（目標軌道）を生成する。目標経路上に目標軌道の候補となる複数の軌道が存在するときには、行動計画生成部４５は、その中から法令を順守し、かつ効率よく安全に走行する等の基準を満たす最適な軌道を選択し、選択した軌道を目標軌道とする。そして、行動計画生成部４５は、生成した目標軌道に応じた行動計画を生成する。

行動計画には、現時点から所定時間Ｔ（例えば５秒）先までの間に単位時間Δｔ（例えば０．１秒）毎に設定される走行計画データ、すなわち単位時間Δｔ毎の時刻に対応付けて設定される走行計画データが含まれる。走行計画データは、単位時間毎の車両２００の位置データと車両状態のデータとを含む。位置データは、例えば道路上の２次元座標位置を示す目標点のデータであり、車両状態のデータは、車速を表す車速データと車両２００の向きを表す方向データなどである。走行計画は単位時間毎に更新される。

行動計画生成部４５は、現時点から所定時間Ｔ先までの単位時間Δｔ毎の位置データを時刻順に接続することにより、目標軌道を生成する。このとき、目標軌道上の単位時間Δｔ毎の各目標点の車速（目標車速）に基づいて、単位時間Δｔ毎の加速度（目標加速度）を算出する。すなわち、行動計画生成部４５は、目標車速と目標加速度とを算出する。なお、目標加速度を走行制御部４６で算出するようにしてもよい。

行動計画生成部４５は、目標軌道を生成する際に、まず走行態様を決定する。具体的には、前方車両に追従する追従走行、前方車両を追い越すための追い越し走行、走行車線を変更する車線変更走行、高速道路や有料道路の本線に合流する合流走行、走行車線を逸脱しないように車線を維持するレーンキープ走行、定速走行、減速走行または加速走行等の走行態様を決定する。そして、走行態様に基づいて目標軌道を生成する。

図３は、行動計画生成部４５で生成された合流走行時における行動計画の一例を示す図である。すなわち、図３では、加速車線３０１から車線変更して本線３０２に合流、より具体的には本線３０２を走行中の第１車両２０１と第２車両２０２との間に合流する走行計画が示される。なお、第１車両２０１と第２車両２０２を示す実線は、第１車両２０１と第２車両２０２の現時点の位置を、点線は合流時に予想される位置を示す。図３の各点Ｐは、現時点から所定時間先までの単位時間毎の位置データに対応し、これら各点Ｐを時刻順に接続することにより、目標軌道３０３が得られる。現時点における車両２００の位置は地点Ｐａである。合流走行の走行計画は、車両２００が本線３０２上の合流地点Ｐｂに至ったときの第１車両２０１と第２車両２０２の位置を予想して生成される。すなわち、第１車両２０１および第２車両２０２の走行を妨げないように合流地点Ｐｂが設定される。

走行制御部４６は、自動運転モードにおいて、行動計画生成部４５で生成された目標軌道に沿って車両２００が走行するように各アクチュエータＡＣを制御する。すなわち、単位時間毎の目標点Ｐを車両２００が通過するように、スロットル用アクチュエータ、変速用アクチュエータ、ブレーキ用アクチュエータ、および操舵用アクチュエータなどをそれぞれ制御する。

より具体的には、走行制御部４６は、自動運転モードにおいて道路勾配などにより定まる走行抵抗を考慮して、行動計画生成部４５で算出された単位時間毎の目標加速度を得るための要求駆動力を算出する。そして、例えば内部センサ群３２により検出された実加速度が目標加速度となるようにアクチュエータＡＣをフィードバック制御する。すなわち、車両２００が目標車速および目標加速度で走行するようにアクチュエータＡＣを制御する。なお、手動運転モードでは、走行制御部４６は、内部センサ群３２により取得されたドライバからの走行指令（アクセル開度等）に応じて各アクチュエータＡＣを制御する。

ところで、図３に示すように車両２００が加速車線３０１から本線３０２に合流するとき、本線３０２を走行中の他車両（第１車両２０１、第２車両２０２）の走行を妨げないように行動計画が生成され、その行動計画に基づいて車両２００が走行する。このため、第１車両２０１と第２車両２０２との間の車間距離が短いなどの理由で合流が困難であるとき、車両２００を例えば図３の停止地点Ｐｃで停車させ、合流が可能な状況となるまで待機させる。すなわち、行動計画生成部４５は、車両２００を停止地点Ｐｃで停車させるような行動計画を生成する。

このように車両２００が停止した状態から車両２００を本線３０２に合流させる場合、車両２００を加速させる必要があるが、加速性能（最大加速度）は車両２００毎に異なる。このため、加速性能が低い車両２００を自動運転により合流させるとき、合流を許可する第１車両２０１と第２車両２０２の車間距離（合流許可車間距離）を十分に長くとる必要がある。その結果、車両２００の合流の機会が減って車両２００の停車時間が長くなり、渋滞を引き起こすおそれがある。このような問題を解消するため、本実施形態では、以下のように自動運転車両システム１００を構成する。

図４は、図２のコントローラ４０の構成、主に行動計画生成部４５の構成をより詳細に示すブロック図である。図４に示すように、行動計画生成部４５は、機能的構成として、合流地点算出部４５１と、最大加速度算出部４５２と、停止地点決定部４５３と、合流判定部４５４と、合流指令部４５５とを有する。

合流地点算出部４５１は、合流走行の行動計画を生成するとき、自車位置認識部４３により認識された自車位置と、外界認識部４４により認識された外部状況とに基づいて、本線３０２上の目標の合流地点Ｐｂを算出する。図５は、合流地点Ｐｂの算出方法を説明するための図である。図５に示すように、加速車線３０１上における現時点の車両２００の位置（現地点Ｐａ）を原点とし、加速車線３０１に沿ってＸ軸をとり、加速車線３０１に垂直に本線３０２に向かってＹ軸をとったＸＹ座標を定義する。このとき、レーザ、ライダ、カメラ等の外部センサ群３１からの信号に基づいて外界認識部４４により認識された現時点の第１車両２０１の地点Ｐ１の座標は（ｘ１、ｙ１）、第２車両２０２の地点Ｐ２の座標は（ｘ２、ｙ２）である。現地点Ｐａ（ＸＹ座標の原点）は、時間経過に伴い変化する。

合流地点算出部４５１は、合流地点Ｐｂを算出するにあたり、まず、現時点における第１車両２０１の車速Ｖ１と第２車両２０２の車速Ｖ２を算出する。車速Ｖ１，Ｖ２は、内部センサ群３２からの信号に基づいて自車両２００の車速Ｖ０を検出するとともに、外部センサ群３１からの信号に基づいて自車両２００と第１車両２０１、第２車両２０２との間の距離の変化量を検出し、車速Ｖ０と距離の変化量とに基づいて算出することができる。なお、通信ユニット３７を介して第１車両２０１および第２車両２０２の車速情報を取得してもよい。

次いで、合流地点算出部４５１は、第１車両２０１と第２車両２０２とが例えば現時点の車速Ｖ１，Ｖ２のまま走行しているとき、車速Ｖ１，Ｖ２を用いて、現時点から所定時間ΔＴ後の第１車両２０１と第２車両２０２の本線３０２上の地点Ｐ１’、Ｐ２’における座標（ｘ１’、ｙ１’），（ｘ２’、ｙ２’）をそれぞれ算出する。なお、第１車両２０１と第２車両２０２が現時点で加速中または減速中であるときは、車速Ｖ１，Ｖ２を変化させて所定時間ΔＴ後の位置座標（ｘ１’、ｙ１’），（ｘ２’、ｙ２’）を算出する。所定時間ΔＴは、走行計画データの設定間隔である単位時間Δｔ（例えば０．１秒）毎に設定され、合流地点算出部４５１は、単位時間Δｔ毎の第１車両２０１と第２車両２０２の将来の位置座標を算出する。すなわち、現時点から単位時間Δｔが経過する度の所定時間ΔＴをパラメータとして、第１車両２０１と第２車両２０２の各所定時間ΔＴに対応する位置座標を算出する。

次いで、合流地点算出部４５１は、所定時間ΔＴ後の第１車両２０１の地点Ｐ１’と第２車両２０２の地点Ｐ２’の中点の座標（（ｘ１’＋ｘ２’）／２、（ｙ１’＋ｙ２’）／２）を、合流地点Ｐｂ（ｘｂ、ｙｂ）として算出する。合流地点Ｐｂは所定時間ΔＴをパラメータとして単位時間Δｔ毎に算出される。図５の地点Ｐｄは加速区間の終端地点であり（図３参照）、合流地点Ｐｂは、少なくとも終端地点Ｐｄよりも進行方向手前側の位置として算出される。すなわち、合流地点算出部４５１は、終端地点ＰｄのＸ座標の値ｘｄよりも合流地点ＰｂのＸ座標の値ｘｂの方が小さいことを条件として、合流地点Ｐｂを算出する。

最大加速度算出部４５２は、車両２００が現時点で発生し得る最大加速度Ａｍａｘを算出する。最大加速度Ａｍａｘは、例えば、加速時に予測されるエンジン回転数の下での最大エンジントルクＴｅ、変速機２の変速比α、駆動輪３のタイヤの半径（タイヤ半径ｒ）、勾配抵抗、転がり抵抗、空気抵抗などの各種抵抗β、および車重Ｗを用いて次式(I)で算出さ
れる。車両停車中には、変速機２が１速段に変速されたときに最大加速度Ａｍａｘが得られる。
Ａｍａｘ＝（（Ｔｅ×α／ｒ）－β）／Ｗ ・・・(I)

なお、車両２００がハイブリッド車両や電気自動車である場合、走行モータの最大トルクを用いて最大加速度Ａｍａｘが算出される。この場合、バッテリの残容量ＳＯＣを考慮して、走行モータの最大トルクが算出される。例えば、バッテリの残容量ＳＯＣが少なく、走行モータの最大トルクが制限されるとき、最大加速度Ａｍａｘは減少する。

停止地点決定部４５３は，車両２００の停止時の加速性能（最大加速度Ａｍａｘ）に応じて加速車線３０１上の停止地点Ｐｃを決定（設定）する。図６は、車両２００（２００Ａ，２００Ｂ）の停止地点Ｐｃ（Ｐｃ１，Ｐｃ２）の一例を示す図である。停止地点決定部４５３は、車両２００の加速性能と終端地点Ｐｄまでの距離とを考慮して停止地点Ｐｃを設定する。具体的には、最大加速度Ａｍａｘが小さいほど進行方向手前側（後方）に停止地点Ｐｃを設定する。図６では、車両２００Ｂは車両２００Ａよりも、加速性能が低く最大加速度Ａｍａｘが小さい。したがって、車両２００Ｂの停止地点Ｐｃ２を車両２００Ａの停止地点Ｐｃ１よりも距離ΔＸだけ後方に設定する。これにより加速性能が低い車両ほど、停止状態からの加速距離を長くとることができる。距離ΔＸは、車両２００Ａ，２００Ｂの加速性能の差が大きいほど、長くなる。

停止地点決定部４５３は、停止地点Ｐｃ１、Ｐｓ２の手前に、車両２００の減速開始を指令するための減速開始地点Ｐｅ１，Ｐｅ２を設定することができる。この場合、車両２００Ｂの減速開始地点Ｐｅ２を車両２００Ａの減速開始地点Ｐｅ１よりも後方に設定することができる。減速開始地点Ｐｅ１，Ｐｅ２は、例えば車両２００が停止するまでの減速度の大きさ（絶対値）が所定値以下になるように、つまり減速ショックが過大とならないように設定される。

合流判定部４５４は、合流地点算出部４５１と最大加速度算出部４５２と停止地点決定部４５３とからの信号に応じて、合流条件の成否を判定する。合流条件は、所定時間ΔＴ後に予想される第１車両２０１と第２車両２０２との車間距離ΔＬ（図５）が閾値ΔＬａ以上であり、かつ、合流地点算出部４５１により算出された合流地点Ｐｂに所定時間ΔＴ内に車両２００が到達でき、かつ、合流地点Ｐｂに到達した際の車速が最終的な目標車速（最終目標車速）Ｖａ以上となるときに成立する。この判定は、第１車両２０１と第２車両２０２の走行を妨げずに車両２００を合流させることができるか否かの判定であり、最終目標車速Ｖａは例えば第１車両２０１の車速Ｖ１に設定される。閾値ΔＬａは、車速が速いほど大きくなるように車速に応じて設定される。

合流判定部４５４は、車両２００の走行中に合流条件の成否を判定する第１合流判定部４５４Ａと、車両２００の停止後に合流条件の成否を判定する第２合流判定部４５４Ｂとを有する。すなわち、本実施形態では、まず車両２００の走行中に、第１合流判定部４５４Ａが合流条件の成否を判定する。そして、第１合流判定部４５４Ａは、合流条件が成立と判定すると、合流許可を指令し、合流条件が不成立と判定すると、合流許可を指令することなく車両２００を、停止地点決定部４５３により決定された加速車線３０１上の停止地点Ｐｃで停車させる。

第１合流判定部４５４Ａの処理をより具体的に説明する。第１合流判定部４５４Ａは、まず、所定時間ΔＴ後の第１車両２０１と第２車両２０２の位置座標（ｘ１’、ｙ１’），（ｘ２’、ｙ２’）に基づき、第１車両２０１と第２車両２０２との車間距離ΔＬを算出し、車間距離ΔＬが閾値ΔＬａ以上であるか否かを判定する。さらに、最大加速度算出部４５２で算出された最大加速度Ａｍａｘで車両２００を加速させたときに、車速が最終目標車速Ｖａとなるまでに要する時間ΔＴｍｉｎ（最小加速時間と呼ぶ）を算出するとともに、ΔＴｍｉｎを合流条件の成否を判定するための所定時間ΔＴの初期値ΔＴ０に設定する。すなわち、所定時間ΔＴが最小加速時間ΔＴｍｉｎよりも短いとき、所定時間ΔＴ後の車速は最終目標車速Ｖａ未満であり、合流条件は明らかに不成立となるため、所定時間ΔＴを少なくとも最小加速時間ΔＴｍｉｎ以上に設定する。

そして、所定時間ΔＴが初期値ΔＴ０である場合、現在の地点Ｐａから、所定時間ΔＴ０に対応して合流地点算出部４５１により算出された合流地点Ｐｂまでの目標移動距離Ｄ０を算出するとともに、最大加速度Ａｍａｘで所定時間ΔＴ０走行したときの車両２００の最大走行可能距離Ｄ０ｍａｘを算出する。次いで、第１合流判定部４５４Ａは、最大走行可能距離Ｄ０ｍａｘが目標移動距離Ｄ０以上であるか否か（Ｄ０ｍａｘ≧Ｄ０）を判定し、Ｄ０ｍａｘ≧Ｄ０であるときは、所定時間ΔＴ０内に車両２００が合流地点Ｐｂに移動可能であるため、合流条件が成立と判定する。一方、Ｄ０ｍａｘ＜Ｄ０であるときは、合流条件が不成立と判定し、所定時間ΔＴに単位時間Δｔを加算して、所定時間ΔＴをΔＴ０からΔＴ１に更新する。

次いで、第１合流判定部４５４Ａは、更新後の所定時間ΔＴ１を用いて、同様に合流条件の成否を判定する。すなわち、所定時間ΔＴ１に対応する目標移動距離Ｄ１を算出するとともに、最大加速度Ａｍａｘで所定時間ΔＴ１走行したときの車両２００の最大走行可能距離Ｄ１ｍａｘを算出する。そして、Ｄ１ｍａｘ≧Ｄ１であるときは、合流条件が成立と判定し、Ｄ１ｍａｘ＜Ｄ１であるときは、合流条件が不成立と判定して所定時間ΔＴに単位時間Δｔを加算し、所定時間ΔＴをΔＴ１からΔＴ２に更新する。

以降、合流条件が成立と判定されるまで、第１合流判定部４５４Ａは、所定時間ΔＴをΔＴ３，ΔＴ４，ΔＴ５・・と、順次更新しながら同様の処理を繰り返す。この場合、単位時間Δｔが実際に経過する度に、車両２００の位置を更新しながら、合流条件の成否を判定する。合流条件が成立せずに、車両２００が停止地点決定部４５３により決定された停止地点Ｐｃに到達すると、第１合流判定部４５４Ａでの合流条件の成否判定は終了する。

第２合流判定部４５４Ｂは、第１合流判定部４５４Ａで合流条件が不成立と判定されて、停止地点決定部４５３により決定された停止地点Ｐｃで車両２００が停車すると、合流条件の成否判定を開始する。そして、合流条件が成立と判定されると、合流許可を指定し、合流条件が不成立と判定されると、合流条件が成立と判定されるまで停止地点Ｐｃで車両２００を停止させたまま待機する。

第２合流判定部４５４Ｂは、第１合流判定部４５４Ａと同様に、合流条件の成否判定を行う。すなわち、現時点から所定時間ΔＴ（Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２・・）後の目標移動距離Ｄ（Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２・・）と最大走行可能距離Ｄｍａｘ（Ｄ０ｍａｘ，Ｄ１ｍａｘ，Ｄ２ｍａｘ・・）との大小を比較し、Ｄｍａｘ≧Ｄとなるまで、所定時間ΔＴを更新して合流条件の成否判定を繰り返す。

合流指令部４５５は、第１合流判定部４５４Ａにより合流条件が成立と判定される前は、車両２００が停止地点Ｐｃで停止するような行動計画を生成する。そして、車両２００が停止地点Ｐｃに至る前に、第１合流判定部４５４Ａにより合流条件が成立と判定されると、行動計画を修正し、本線３０２に車線変更して合流する合流走行の行動計画を生成する。また、車両２００が停止地点Ｐｃで停止した後は、停止状態を維持するような行動計画を生成し、その状態で第２合流判定部４５４Ｂにより合流条件が成立と判定されると、行動計画を修正し、合流走行の行動計画を生成する。

具体的には、合流指令部４５５は、第１合流判定部４５４Ａまたは第２合流判定部４５４Ｂにより合流条件が成立と判定されると、合流条件の成立時の所定時間ΔＴｎを用いて合流走行の行動計画を生成する。図７は、行動計画に含まれる目標車速Ｖの時間経過に伴う変化の特性ｆ１の具体例を示す図である。図７は、第２合流判定部４５４Ｂが合流条件の成立を判定した例であり、現時点ｔ＝０での車速Ｖ０は０である。特性ｆ２は、最大加速度Ａｍａｘの特性であり、特性ｆ１の傾き（加速度）は、特性ｆ２の傾き以下である。

目標車速Ｖは、特性ｆ１に沿って所定時間ΔＴｎの経過前に最終目標車速Ｖａまで徐々に上昇しており、その後は、最終目標車速Ｖａに維持されている。特性ｆ１の下側の面積が、所定時間ΔＴｎに対応する目標移動距離Ｄｎに相当する。目標移動距離Ｄｎは、特性ｆ２の下側の面積（最大走行可能距離Ｄｎｍａｘ）以下である。合流指令部４５５は、図７に示すように、所定時間ΔＴｎ後の車速が最終目標車速Ｖａであり、かつ、走行距離が目標移動距離Ｄｎとなるような特性ｆ１を設定する。そして、特性ｆ１に応じた行動計画を生成し、行動計画を走行制御部４６に出力する。

図８は、図４の行動計画生成部４５における処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えば自動運転モードにおいて車両２００が加速車線３０１を走行し、かつ、合流地点Ｐｂを算出するための基準となる第１車両２０１と第２車両２０２とが検出され、かつ、合流走行を行うための前提条件が成立すると開始される。

前提条件は、例えば（１）本線３０２を走行する第１車両２０１と第２車両２０２の現時点のＹ座標ｙ１、ｙ２の位置ずれが小さいこと、すなわち、ｙ１とｙ２との差の絶対値が所定の閾値未満であること、（２）車線変更禁止領域でないこと、（３）第１車両２０１と第２車両２０２の加減速の変化量の大きさ（絶対値）がそれぞれ所定の閾値未満であること、（４）第１車両２０１と第２車両２０２のヨーレート変化量の大きさ（絶対値）がそれぞれ所定の閾値未満であること、（５）第１車両２０１のＸ座標ｘ１が車両２００に対し一定範囲内であること、すなわちｘ１が所定の下限値より大きくかつ所定の上限値より小さいこと、（６）第２車両２０２のＸ座標ｘ２が車両２００に対し一定範囲内であること、すなわちｘ２が所定の下限値より大きくかつ所定の上限値より小さいこと、などである。これら全ての前提条件が成立すると、図８の処理が開始される。

まず、ステップＳ１で、現時点から所定時間ΔＴ後における車両２００の合流地点Ｐｂを算出する。すなわち、第１車両２０１と第２車両２０２の本線３０２上の地点Ｐ１’、Ｐ２’における座標（ｘ１’、ｙ１’），（ｘ２’、ｙ２’）をそれぞれ算出し、地点Ｐ１’、Ｐ２’の中点を算出する。車両２００が走行中で、単位時間Δｔ毎に車両２００の位置が変化するときには、移動後の車両２００の地点を基準にして所定時間ΔＴ後の合流地点Ｐｂを算出する。なお、初期の所定時間ΔＴ０は、車両２００が最終目標車速Ｖａ（例えば第１車両２０１の車速Ｖ１）となるまでに要する最小加速時間ΔＴｍｉｎに設定される。

次いで、ステップＳ２で、最大エンジントルクＴｅ、変速機２の変速比α、タイヤ半径ｒ、各種抵抗βを用いて、上式(I)により車両２００が現時点で発生し得る最大加速度Ａｍａｘを算出する。次いで、ステップＳ３で、最大加速度Ａｍａｘに応じて加速車線３０１上の車両２００の停止地点Ｐｃを設定する。すなわち、最大加速度Ａｍａｘが小さいほど、進行方向手前側（後方）に停止地点Ｐｃを設定する（図６参照）。

次いで、ステップＳ４で、合流条件が成立したか否かを判定する。すなわち、第１車両２０１と第２車両２０２の車間距離ΔＬが閾値ΔＬａ以上で、かつ、ステップＳ１で算出された合流地点Ｐｂに所定時間ΔＴ内に車両２００が到達でき、かつ、合流地点Ｐｂに到達した際の車速が最終目標車速Ｖａ以上となるか否かを判定する。ステップＳ４で肯定されるとステップＳ５に進み、否定されるとステップＳ６に進む。

ステップＳ５では、所定時間ΔＴ後に車両２００が合流地点Ｐｂに到達し、かつ、そのときの車速が最終目標車速Ｖａとなるような行動計画を生成する。例えば図７に示すような目標車速Ｖの変化を含む行動計画を生成する。そして、その行動計画を走行制御部４６に出力する。これにより、車両２００は行動計画に従い合流走行を開始する。

一方、ステップＳ６では、自車位置認識部４３により認識された車両２００の位置がステップＳ３で設定した停止地点Ｐｃに到達したか否かを判定する。ステップＳ６で否定されるとステップＳ７に進み、所定時間ΔＴを単位時間Δｔ分だけ更新し、ステップＳ１に戻る。一方、ステップＳ６で肯定されるとステップＳ８に進み、車両２００を停止地点Ｐｃで停車させるような行動計画を生成し、行動計画を走行制御部４６に出力する。

次いで、ステップＳ９で、ステップＳ４と同様、合流条件の成否を判定する。すなわち、第１車両２０１と第２車両２０２の車間距離ΔＬが閾値ΔＬａ以上で、かつ、ステップＳ１で算出された合流地点Ｐｂに所定時間ΔＴ内に車両２００が到達でき、かつ、合流地点Ｐｂに到達した際の車速が最終目標車速Ｖａ以上となるか否かを判定する。ステップＳ９で肯定されるとステップＳ５に進み、否定されるとステップＳ１に戻る。

図９は、自動運転車両システム１００の主要な動作の一例を具体的に説明する図である。図９は、車両２００が停止地点Ｐｃに至るまで合流条件が成立せずに、車両２００が停止地点Ｐｃで停車した状態（ステップＳ８）を示す。例えば本線３０２が渋滞していて車間距離ΔＬが閾値ΔＬａ未満であるため、車両２００が合流できずに一旦停止した状態を示す。

ここで、車両２００Ａは車両２００Ｂよりも最大加速度Ａｍａｘが大きいと仮定する。このとき、車両２００Ｂの停止地点Ｐｃ２は車両２００Ａの停止地点Ｐｃ１よりも進行方向手前側（後方）に設定される（ステップＳ３）。これにより、車両２００Ｂの停止地点Ｐｃ２から合流地点Ｐｂまでの距離が、車両２００Ａの停止地点Ｐｃ１から合流地点Ｐｂまでの距離よりも長くなる。その結果、例えば車間距離ΔＬが閾値ΔＬａ以上の状態を検出したときに、車両２００Ｂは所定時間ΔＴ後に最終目標車速Ｖａに容易に到達することができ、第１車両２０１と第２車両２０２の走行を妨げることなくスムーズな合流が可能となる。

また、車両２００Ａの停止地点Ｐｃ１は車両２００Ｂの停止地点Ｐｃ２よりも前方に位置するので、車両２００Ａにとっては、停止するまでの間の合流の機会が増加する。これにより車両２００Ａは停止前に合流できる確率が高まり、自動運転による良好な合流走行を実現可能である。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）本実施形態に係る自動運転車両システム１００は、車両２００の周辺状況を検出する外部センサ群３１と、外部センサ群３１により検出された周辺状況に応じて、車両２００の行動計画を生成する行動計画生成部４５と、行動計画生成部４５により生成された行動計画に応じて車両２００の走行用アクチュエータＡＣを制御する走行制御部４６と、を備える（図２）。行動計画生成部４５は、車両２００を、加速車線３０１の停止地点Ｐｃで停車させた後に本線３０２の合流地点Ｐｂで第１車両２０１とその後方の第２車両２０２との間に合流させる行動計画を生成するとき、車両２００の停止状態から発生し得る最大加速度Ａｍａｘが大きいほど、停止地点Ｐｃを車両進行方向側に設定する（図６）。

これにより、最大加速度Ａｍａｘが小さい車両２００Ｂは、より進行方向手前側に停止するようになるため、加速走行距離を長くすることができる。したがって、車両２００Ｂのスムーズな合流走行が可能となる。すなわち、最大加速度Ａｍａｘが小さい車両２００Ｂにあっては、合流地点Ｐｂで十分な車速とならない可能性が高いため、車間距離ΔＬが十分に大きい場合でないと、合流が困難となり、合流の機会が減少するおそれがある。この点、本実施形態では、最大加速度Ａｍａｘが低い車両２００Ｂほど、進行方向手前側から加速走行を開始するようになるため、合流地点Ｐｂで最終目標車速Ｖａまで容易に加速することができ、スムーズな合流走行が可能である。

（２）行動計画生成部４５は、第１車両２０１の車速Ｖ１に基づいて最終目標車速Ｖａを設定し、車両２００の車速が合流地点Ｐｂで最終目標車速Ｖａまで上昇するように行動計画を生成する。これにより本線３０２を走行中の他車両の走行を妨げずに、適切に合流走行を実現できる。

（３）行動計画生成部４５は、現時点から所定時間ΔＴ後の第１車両２０１と第２車両２０２との中点を合流地点Ｐｂとして算出するとともに、車両２００が所定時間ΔＴだけ最大加速度Ａｍａｘで走行することによる最大走行可能距離Ｄｍａｘが現地点Ｐａから合流地点Ｐｂまでの目標移動距離Ｄ以上であり、かつ、所定時間ΔＴ後の車両２００の車速が最終目標車速Ｖａまで上昇可能であるとき、合流が可能と判定する。これにより、車両２００毎の加速性能を考慮した良好な合流が可能である。

上記実施形態は種々の形態に変更することができる。以下、変形例について説明する。上記実施形態では、外部センサ群３１により車両２００の周辺状況を検出するようにしたが、通信ユニット３７を介して周辺状況を検出するようにしてもよく、周辺状況検出部は上述したものに限らない。上記実施形態では、高速道路や有料道路等の加速車線（第１車線）から本線（第２車線）に合流する場合に、自動運転車両システム１００を適用するようにしたが、道路工事等により車線が減少するときの車線変更する場合にも自動運転車両システムを同様に適用することができ、第１車線と第２車線は上述したものに限らない。したがって、第１車線で車両を停止させる第１地点および第２車線に車両を合流させる第２地点は、上述した停止地点Ｐｃおよび合流地点Ｐｂ以外であってもよい。

上記実施形態では、行動計画生成部４５の構成について主に説明したが、自動運転車両を、第１車線の第１地点で停車させた後に第２車線の第２地点で第１車両とその後方の第２車両との間に合流させる行動計画を生成するときに、自動運転車両の停止状態から発生し得る最大加速度が大きいほど、第１地点を車両進行方向側に設定するのであれば、行動計画生成部の構成は上述したものに限らず、いかなるものでもよい。上記実施形態では、合流地点Ｐｂにおける目標車速（最終目標車速Ｖａ）を第１車両２０１の車速に設定したが、第２車両２０２の車速や、第１車両２０１の車速と第２車両２０２の車速との平均値等に目標車速を設定するようにしてもよい。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

３１ 外部センサ群、４０ コントローラ、４５ 行動計画生成部、４６ 走行制御部、１００ 自動運転車両システム、２００ 自動運転車両、２０１ 第１車両、２０２ 第２車両、４５１ 合流地点算出部、４５２ 最大加速度算出部、４５３ 停止地点決定部、４５４ 合流判定部、Ｐｂ 合流地点、Ｐｃ 停止地点

Claims (4)

1. 自動運転車両の周辺状況を検出する周辺状況検出部と、
   前記周辺状況検出部により検出された周辺状況に応じて、前記自動運転車両の行動計画を生成する行動計画生成部と、
   前記行動計画生成部により生成された行動計画に応じて前記自動運転車両の走行用アクチュエータを制御する走行制御部と、を備える自動運転車両システムであって、
   前記行動計画生成部は、
   前記自動運転車両が第１車線を走行中に、前記第１車線上の停止地点に至るまでに前記自動運転車両が第２車線の第１車両とその後方の第２車両との間の合流地点に合流が可能か否かを判定する第１合流判定部と、
   前記第１合流判定部により合流可能でないと判定されたとき、前記自動運転車両が前記停止地点で停車した状態から前記第２車線の前記合流地点に合流が可能か否かを判定する第２合流判定部と、
   前記第１合流判定部と前記第２合流判定部との判定結果に応じて、前記自動運転車両の合流走行の行動計画を生成する合流指令部と、
   前記停止地点を設定する停止地点設定部と、を有し、
   前記第１合流判定部および前記第２合流判定部は、所定時間後の前記第１車両と前記第２車両との車間距離が所定値以上であり、かつ、前記自動運転車両が前記合流地点に前記所定時間内に到達可能であり、かつ、前記所定時間後の前記自動運転車両の車速が目標車速まで上昇可能であるとき、前記合流地点に合流が可能と判定し、
   前記停止地点設定部は、前記自動運転車両の停止状態から発生し得る最大加速度が大きいほど、前記停止地点を車両進行方向側に設定することを特徴とする自動運転車両システム。
2. 請求項１に記載の自動運転車両システムにおいて、
   前記合流指令部は、前記所定時間後に想定される前記第１車両の車速に前記目標車速を設定し、前記自動運転車両の車速が前記合流地点で前記目標車速まで上昇するように行動計画を生成することを特徴とする自動運転車両システム。
3. 請求項２に記載の自動運転車両システムにおいて、
   前記行動計画生成部は、現時点から前記所定時間後の前記第１車両と前記第２車両との中点を前記合流地点として算出する合流地点算出部をさらに有し、
   前記第２合流判定部は、前記自動運転車両が前記所定時間だけ前記最大加速度で走行することによる最大走行可能距離が前記停止地点から前記合流地点までの距離以上であるとき、合流が可能と判定することを特徴とする自動運転車両システム。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の自動運転車両システムにおいて、
   前記行動計画生成部は、さらに前記停止地点の進行方向手前側に減速開始地点を設定するとともに、前記最大加速度が大きいほど、前記減速開始地点を車両進行方向側に設定することを特徴とする自動運転車両システム。

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