(57)【要約】【課題】経路追従型の自動制御による走行をする自律走行車両において、経路に対する追従精度及び応答性の良さと、外乱に対するロバスト性を両立させること。【解決手段】あらかじめ定められた経路上の車両の目標位置及び目標方向と、車両の現在位置及び現在方向に基いて、車両状態量をスケジューリングパラメータとして用いたゲインスケジュールドＨ∞制御により操舵角目標値を求めるコントローラと、前記操舵角目標値に基いて操舵輪を操舵するステアリングアクチュエータと、を有する自律走行車両。【選択図】図１
2015001906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
あらかじめ定められた経路上の車両の目標位置及び目標方向と、車両の現在位置及び現在方向に基いて、車両状態量をスケジューリングパラメータとして用いたゲインスケジュールドＨ∞制御により操舵角目標値を求めるコントローラと、
前記操舵角目標値に基いて操舵輪を操舵するステアリングアクチュエータと、
を有する自律走行車両。
【請求項２】
前記車両状態量が車両速度、姿勢、旋回速度の少なくともいずれかである請求項１に記載の自律走行車両。
【請求項３】
前記コントローラは、車両のロール角に基いて制御入力に対し補正をする請求項１又は２に記載の自律走行車両。
【請求項４】
前記コントローラは、前記目標位置と前記現在位置との偏差に積分項による補正をする請求項１乃至３のいずれかに記載の自律走行車両。
【請求項５】
前記コントローラは、車両の横方向についての前記目標位置と前記現在位置との偏差に対して前記積分項による補正をする請求項４に記載の自律走行車両。
【請求項６】
あらかじめ定められた経路上の車両の目標位置及び目標方向と、車両の現在位置及び現在方向に基いて、車両状態量をスケジューリングパラメータとして用いたゲインスケジュールドＨ∞制御により操舵角目標値を求めるコントローラと、
前記操舵角目標値に基いて操舵輪を操舵するステアリングアクチュエータを備えた車両と、
を有する車両の自律走行システム。
【請求項７】
あらかじめ定められた経路上の車両の目標位置及び目標方向と、車両の現在位置及び現在方向に基いて、車両状態量をスケジューリングパラメータとして用いたゲインスケジュールドＨ∞制御により操舵角目標値を求めるステップと、
前記操舵角目標値に基いて操舵輪を操舵するステップと、
を有する自律走行車両の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自律走行車両、車両の自律走行システム及び自律走行車両の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
省力化・省人化や、人体にとって過酷な環境下での作業を可能とするべく、無人にて自律的に走行する車両が研究されている。車両を自律走行させるための考え方には種々のものがあるが、代表的なものとして、あらかじめ設定した経路を追従するように車両を自動運転させるものが挙げられる。このような経路追従型の自動制御では、経路に対する追従精度を高めるとともに、路面の凹凸や傾斜といった外乱に対するロバスト性を備えることが必要である。
【０００３】
非特許文献１には、経路追従型の自動制御に対し、Ｈ∞制御を適用することにより、農作業車両を高速かつ、ロバストに目標経路に追従させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】加藤彰一，外５名，”ＵＧＶのＨ∞制御によるロバストな経路追従”，学術講演会前刷集、公益社団法人自動車技術会，２０１２年５月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、Ｈ∞制御理論に基づく制御器の設計では、想定される最大のモデル化誤差或いは外乱に対して制御系が漸近安定となるように補償器が選択されるため、その追従性能は保守的なものとなる。そのため、経路に対する追従精度や応答性の点では、実用性に照らし、必ずしも満足のできる制御器が得られるとは限らない。かといって、追従性能を向上させようにもモデル化誤差の低減は一般に困難であるし、外乱の大きさを小さく見積もると、制御の安定性が損なわれる。
【０００６】
本発明はかかる観点に鑑みてなされたものであって、その目的は、経路追従型の自動制御による走行をする自律走行車両において、経路に対する追従精度及び応答性の良さと、外乱に対するロバスト性を両立させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本出願において開示される発明は種々の側面を有しており、それら側面の代表的なものの概要は以下のとおりである。
【０００８】
（１）あらかじめ定められた経路上の車両の目標位置及び目標方向と、車両の現在位置及び現在方向に基いて、車両状態量をスケジューリングパラメータとして用いたゲインスケジュールドＨ∞制御により操舵角目標値を求めるコントローラと、前記操舵角目標値に基いて操舵輪を操舵するステアリングアクチュエータと、を有する自律走行車両。
【０００９】
（２）（１）において、前記車両状態量が車両速度、姿勢、旋回速度の少なくともいずれかである自律走行車両。
【００１０】
（３）（１）又は（２）において、前記コントローラは、車両のロール角に基いて制御入力に対し補正をする自律走行車両。
【００１１】
（４）（１）乃至（３）のいずれかにおいて、前記コントローラは、前記目標位置と前記現在位置との偏差に積分項による補正をする自律走行車両。
【００１２】
（５）（４）において、前記コントローラは、車両の横方向についての前記目標位置と前記現在位置との偏差に対して前記積分項による補正をする自律走行車両。
【００１３】
（６）あらかじめ定められた経路上の車両の目標位置及び目標方向と、車両の現在位置及び現在方向に基いて、車両状態量をスケジューリングパラメータとして用いたゲインスケジュールドＨ∞制御により操舵角目標値を求めるコントローラと、前記操舵角目標値に基いて操舵輪を操舵するステアリングアクチュエータを備えた車両と、を有する車両の自律走行システム。
【００１４】
（７）あらかじめ定められた経路上の車両の目標位置及び目標方向と、車両の現在位置及び現在方向に基いて、車両状態量をスケジューリングパラメータとして用いたゲインスケジュールドＨ∞制御により操舵角目標値を求めるステップと、前記操舵角目標値に基いて操舵輪を操舵するステップと、を有する自律走行車両の制御方法。
【発明の効果】
【００１５】
上記本発明によれば、経路追従型の自動制御による走行をする自律走行車両において、経路に対する追従精度及び応答性の良さと、外乱に対するロバスト性を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る自律走行車両の外観図である。
【図２】自律走行車両の構成を示す模式図である。
【図３】等価二輪モデルを示す図である。
【図４】自律走行車両と参照車両との関係を示す図である。
【図５】補償器Ｋ（ｓ）による閉ループが付加された一般化プラントＧ（ｓ，θ）を示す図である。
【図６】積分項及び重力補正入力が付加された一般化プラントＧ（ｓ，θ）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の一実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る自律走行車両１の外観図である。本発明における自律走行車両とは、自動運転として、あらかじめ設定した経路を追従する自律走行を行う車両を指している。したがって、自律走行車両１がそれ以外の走行時、例えば自動運転の状態にない場合の有人／無人運転の別は問わない。また、図１に示した自律走行車両１は４輪自動車であるが、装輪数は３輪であっても、４輪であっても、或いは６輪以上の多装輪であっても、無限軌道車であってもよい。さらに、以降説明する本実施形態における自律走行車両１の制御は不整地走行に特に適したものであるため、自律走行車両１は不整地走行に適したＡＴＶ（Ａｌｌ  Ｔｅｒｒａｉｎ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）を改修したものとして示しているが、自律走行車両１が舗装面等の整地を走行しても差し支えない。
【００１９】
本実施形態では、自律走行車両１は、果樹園等の農園を走行しつつ、果樹等の作物に対して農薬等の薬液を散布する農業用車両として示されており、車両本体２の後部に農薬散布用のスプレーノズル３が装備されている。しかしながら、これは単に自律走行車両１の実用上の役割の一例を示すものであり、自律走行車両１は農業用車両に限定されない。車両本体２は、作業者による有人運転と、後述するコントローラ５による無人運転の両方が可能であり、作業者による操作または指示により有人／無人運転が切り替えられる。
【００２０】
車両本体２には、さらに、外部機器との無線通信を行うためのアンテナ４が設けられている。なお、本実施形態では、コントローラ５は車両本体２に搭載されているものとして以降の説明を行うが、コントローラ５を車両本体２の外部に設置し、アンテナ４を介した無線通信により車両本体２の制御を行うものとしてもよい。かかる場合には、コントローラ５と、車両本体２を含む車両の制御システムとして本発明が把握され得ることとなる。
【００２１】
図２は、自律走行車両１の構成を示す模式図である。自律走行車両１の車両本体２は、前輪である操舵輪２１と、操舵輪２１の操舵角を変更するためのステアリングアクチュエータ２２、後輪である駆動輪２３に回転駆動力を与えるドライビングモータ２４を情報処理装置であるコントローラ５により電子的に制御するようになっている。なお、ここではドライビングモータ２４は電気モータであり、車両本体２は電動車両であるが、原動機の形式に限定はなく、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の適宜の内燃機関を用いてもよく、さらに内燃機関と電気モータとのいわゆるハイブリッドとしてもよい。
【００２２】
操作部２５は、自律走行車両１を有人運転する際の各種操作用部材であり、具体的には、ハンドルや、アクセル／ブレーキ等のペダル、各種スイッチ類である。本実施形態では、自律走行車両１は、搭乗員による有人運転を行う場合には、この操作部２５に入力された操作量がコントローラ５に伝えられ、その操作量に応じてステアリングアクチュエータ２２やドライビングモータ２４が駆動されるようになっている。これに対し、自律走行車両１が無人運転となっている場合には、操作部２５からの入力は自律走行車両１の走行には反映されない。自律走行車両１の有人運転／無人運転の切り替えは、この操作部２５に設けられた適宜のスイッチ、例えば、キースイッチのポジションを変更することにより行われてよい。
【００２３】
インタフェース２６は、コントローラ５に対し、自律走行車両１を無人運転する際に必要となる各種情報を入力するためのマンマシンインタフェースである。このインタフェース２６の形式は特に限定されず、どのようなものであってもよい。例えば、無線又は有線により通信可能に接続された任意のコンピュータ又はティーチングペンダント等の操作ボックスをインタフェース２６として用いてよい。あるいは、自律走行車両１の適宜の場所、例えば運転席にタッチパネル式ディスプレイ等の入力デバイスを設け、かかる入力デバイスをインタフェース２６としてもよい。いずれにせよ、オペレータは、インタフェース２６を用いて、自律走行車両１を自動走行させる際に必要となるパラメータや走行経路等必要な情報をコントローラ５に入力する。無線による通信を行う場合には、このインタフェース２６は図１に示すアンテナ４を用いるものであってよい。
【００２４】
記憶部２７は、情報記憶であり、好ましくは不揮発性のメモリである。そして、記憶部２７には、自律走行車両１が自律走行を行う際に必要となるパラメータや走行経路等の情報が記憶される。コントローラ５は、自律走行車両１の無人運転の際には、必要なパラメータや走行経路を適宜記憶部２７より参照しつつ自律走行車両１を制御する。
【００２５】
さらに、自律走行車両１には位置・方位センサ２８が設けられており、車両本体２の現在位置及び現在方向がコントローラ５に入力されるようになっている。位置・方位センサ２８の形式は特に限定されないが、一例として、本実施形態では、位置センサにＧＰＳ（汎地球測位システム）レシーバを、方位センサに磁気コンパスを用いている。もちろん、位置センサとして、ＧＰＳに換えて或いは加えてＩＮＳ（慣性航法システム）や電波又は超音波を用いたＬＰＳ（局所測位システム）を用いてもよいし、現在方位を位置センサの出力から求めるものとしてもよい。
【００２６】
続いて、コントローラ５が実行する自律走行車両１の制御の詳細を以下に説明する。なお、以降の本文中では時間微分をプライム記号（’）により表記し（ラグランジュの記法）、また本文中に挿入される数式中では時間微分をドット記号（・）により表記しており（ニュートンの記法）、表記が必ずしも一致しないが、これは明細書の電子出願にあたって使用できるフォントに制限があるためであり、両者が指し示す内容に差異はない。
【００２７】
まず、自律走行車両１の物理モデルとして、図３に示す等価二輪モデルを採用する。透過二輪モデルとは、一定速度で走行する車両の水平面内の運動を考え、前後の左右輪が等価的に車両の前後輪軸と車軸との交点にそれぞれ集中している車両の運動を考えたものである。ここで、それぞれの変数が示す意味は次の通りである。
ｌ        :ホイールベース
ｌＦ，ｌＲ：前輪軸又は後輪軸と車両重心までの距離
ｒ        ：ヨー角速度
ＦＦ，ＦＲ：前輪軸又は後輪軸に作用する横力
Ｊ        ：慣性ヨーモーメント
ＫＦ，ＫＲ：前輪軸又は後輪軸におけるコーナリング力
Ｍ        ：車両質量
ｖ        ：車両速度
α        ：ヨー角
β        ：車両重心における滑り角
βＦ，βＲ：前輪又は後輪における滑り角
δ        ：操舵角（前輪のもの）
【００２８】
このとき、図３より車両の運動方程式は次の通りとなる。
【数１】
2015001906.tif 000003
【００２９】
また、タイヤに働く横力は滑り角が小さい場合には滑り角に比例することから次の通りとなる。
【数２】
2015001906.tif 000004
【００３０】
よって、ヨー角速度ｒと滑り角βの関係式は次の通りとなる。
【数３】
2015001906.tif 000005
ここで、
【数４】
2015001906.tif 000006
である。
【００３１】
また、自律走行車両１が走行経路に追従するための制御として、図４に示すように走行経路上の仮想的な参照車両６に追従する制御を行う。このとき、参照車両６の位置を目標位置、参照車両の向きを目標方向と呼ぶこととする。目標位置及び目標方向は、あらかじめ定めた速度プロファイルにしたがって参照車両６を走行経路上で仮想的に走行させることにより得てもよいが、本実施形態では、参照車両６は実車両である自律走行車両１の速度に合わせて常に並走しているものと仮定している。すなわち、目標位置は現在位置から走行経路に最短となる垂線を下ろした際の交点であり、目標方向は目標位置における走行経路の接線方向である。
【００３２】
このとき、添え字ｒを参照車両６における各種変数を示すものとすると、参照車両６の状態方程式は等価二輪モデルを適用すると次の通りとなる。
【数５】
2015001906.tif 000007
【００３３】
また、参照車両６から見た自律走行車両１の前後偏差、横偏差及び廻頭角をｅ１，ｅ２及びｅ３とすると、
【数６】
2015001906.tif 000008
が得られる。この時間微分は、
【数７】
2015001906.tif 000009
である。ただし、
【数８】
2015001906.tif 000010
【００３４】
ここで、参照車両６は自律走行車両１に並走している（ｅ１＝０、ｅ１’＝０）ことから、線形近似を行うと結局
【数９】
2015001906.tif 000011
を得る。以上より、状態方程式として、
【数１０】
2015001906.tif 000012
が求められる。このとき、定常状態の条件としてβ’＝０およびβｒ’＝０とし、状態量としてｒ−ｒｒを考慮して状態方程式を書き換えると、最終的に
【数１１】
2015001906.tif 000013
を得る。ただし、
【数１２】
2015001906.tif 000014
とする。
【００３５】
以上求めた状態方程式により示される系に適切な補償器を加え、ゲインスケジュールドＨ∞制御による制御を行うことを考える。図５は、補償器Ｋ（ｓ）による閉ループが付加された一般化プラントＧ（ｓ，θ）を示す図である。ここで、それぞれの変数が示す意味は次の通りである。
ｗ        ：外乱
ｕ        ：制御入力
ｚ        ：制御量
ｙ        ：観測量
θ        ：スケジューリングパラメータ
【００３６】
このとき、プラントＰ（ｓ）の状態量は次のようになる。
【数１３】
2015001906.tif 000015
【００３７】
また、制御量は次のように選択する。
【数１４】
2015001906.tif 000016
【００３８】
このとき、一般化プラントの状態方程式は以下の通りとなる。
【数１５】
2015001906.tif 000017
ここで、可変パラメータの値域は規定されているものとし、
【数１６】
2015001906.tif 000018
とする。また、Ｗ（ｓ，θ）は周波数依存の重みであり、周波数応答を成形するためのものである。
【００３９】
ここで、一般化プラントに対し次の仮定：
（１）Ｂ２，Ｃ２，Ｄ１２，Ｄ２１はθに依存しない
（２）他の係数行列は次の式に示すポリトープ型ＬＰＶ（線形パラメータ可変）モデルで表される。ただし、ξを補完係数とする。
【数１７】
2015001906.tif 000019
【００４０】
これに対し、一般化プラントと同じ次数のポリトープ型ＬＰＶモデルを補償器として次式のように与える。
【数１８】
2015001906.tif 000020
【００４１】
このとき、閉ループ系Φ（ｓ，θ）の状態方程式は次のように表される。
【数１９】
2015001906.tif 000021
【００４２】
さらに、閉ループ系Φ（ｓ，θ）は以下のようなポリトープ型ＬＰＶモデル
【数２０】
2015001906.tif 000022
で表すことができる。閉ループ系Φ（ｓ，θ）がＬＰＶモデルであるため、有界実補題より次の条件は等価となる。
１．Ａは安定で
【数２１】
2015001906.tif 000023
が成り立つ。
２．次の条件を満たす正定行列Ｐが存在する。
【数２２】
2015001906.tif 000024
【００４３】
この不等式には行列ＰとＡｃｌ、Ｂｃｌの積が含まれるため、線形でない。そこで、合同変換によりこの不等式を線形化すると、次のＬＭＩ（線形行列不等式）が得られる。
【数２３】
2015001906.tif 000025
ここで、ｉ＝１，・・・，ｎとし、各ＬＭＩ毎に定義される未知変数として、
【数２４】
2015001906.tif 000026
とする。このとき、Ｘ＞０、Ｙ＞０は全てのＬＭＩ条件式において共通の変数であり、時間に依存しないものと仮定すると上述のＬＭＩより未知変数を求めることができる。これにより、補償器のポリトープ型ＬＰＶモデルにおける各係数行列を次の式より計算することができ、これによりゲインスケジュールドＨ∞制御器が設計されることになる。
【数２５】
2015001906.tif 000027
【００４４】
ここで、スケジューリングパラメータθに何を用いるかが問題となるが、これに対しては想定される走行経路において、操舵角を制御する上で外乱が増大すると考えられる条件を直接的または間接的に示す自律走行車両１の状態を示す量（車両状態量）を選択するとよい。車両状態量としては、車両速度、姿勢、旋回速度等を挙げることができる。すなわち、例えば車両速度に関して言えば、車両速度が増大すると路面の凹凸やスリップ等による外乱が増大すると考えられる。そのような条件のときにゲインを下げ、そうでない場合はゲインを上げるような制御をすれば、外乱の影響を抑えつつ、走行経路に対する追従性を確保出来るものと考えられる。姿勢、旋回速度についても同様である。
【００４５】
ここではまず、スケジューリングパラメータとして車両速度を用いた場合を説明する。上述のプラントの状態方程式では車両速度ｖの逆数が含まれるため、スケジューリングパラメータθとして、
【数２６】
2015001906.tif 000028
とする。なお、ここでの車両速度ｖは、自律走行車両１の現在速度をそのまま用いてもよいが、過去の一定期間の車両速度の平均値を用いるようにすることが望ましい。本実施形態では、過去１秒間の車両速度の平均値を車両速度ｖとして用いている。
【００４６】
このとき、一般化プラントは次の式で表される。
【数２７】
2015001906.tif 000029
【００４７】
また、各係数行列は次の通りである。
【数２８】
2015001906.tif 000030
【００４８】
ここで、Ａ（θ）は補完係数ξｉを用いて、
【数２９】
2015001906.tif 000031
と表すことができる。
【００４９】
続いて、スケジューリングパラメータとして姿勢を用いた場合を説明する。ここでの姿勢は、自律走行車両１のピッチ角及びロール角である。なお、ピッチ角及びロール角は、自律走行車両１に姿勢センサを設けるか、ＩＮＳの出力をとることにより知ることができる。このとき、スケジューリングパラメータθは例えば、次のようにする。
【数３０】
2015001906.tif 000032
【００５０】
なお、ここでθｐ、θｒとしてそれぞれ自律走行車両１の現在のピッチ角及びロール角をそのまま用いてもよいが、過去の一定期間のピッチ角及びロール角の平均値を用いるようにすることが望ましい。本実施形態では、過去１秒間のピッチ角及びロール角の平均値をそれぞれピッチ角θｐ、ロール角θｒとして用いている。また、θｐｍｉｎ、θｒｍｉｎは共に０、θｐｍａｘ、θｒｍａｘはそれぞれ想定されるピッチ角、ロール角の絶対値の最大値とする。
【００５１】
このときの重み関数は次の通りである。
【数３１】
2015001906.tif 000033
【００５２】
また、重みＷ（ｓ，θ）の状態方程式は、
【数３２】
2015001906.tif 000034
【００５３】
ここで、係数行列及び補完係数は、
【数３３】
2015001906.tif 000035
である。
【００５４】
一般化プラントは、
【数３４】
2015001906.tif 000036
【００５５】
また、各係数行列は次の通りである。
【数３５】
2015001906.tif 000037
【００５６】
以上により、自律走行車両１におけるゲインスケジュールドＨ∞制御器が設計できるのであるが、自律走行車両１が傾斜面に存在し、重力により常に横方向の力を受けている場合にはいわゆる定常偏差が生じる場合がある。そこで、そのような定常偏差を減少させる方法として、積分補正を行う方法と、重力に対する補正項を導入する方法を用いる。
【００５７】
まず、積分補正を行う方法について説明する。この方法は、図５で示したブロック図の制御量をより細かく分解し、横偏差ｅ２に対し積分項を導入することによりなされる。具体的には、図６で示すとおりの位置に積分項を導入するとよい。
【００５８】
次に、重力に対する補正項を導入する方法について説明する。自律走行車両１が傾斜面に存在することにより、その車両重心点に横力Ｆｙ０が作用するものとする。そして、この横力Ｆｙ０による影響を除去するための重力補正入力δ０が加えられたものとすると、自律走行車両１の等価二輪モデルの運動方程式より、
【数３６】
2015001906.tif 000038
が得られ、これより、
【数３７】
2015001906.tif 000039
が得られる。
【００５９】
したがって、必要とされる重力補正入力δ０は
【数３８】
2015001906.tif 000040
である。ここで、
【数３９】
2015001906.tif 000041
であるから、重力補正入力δ０は、自律走行車両１のロール角θｒに基いて求められることになる。なお、ここでθｒとして自律走行車両１の現在のロール角をそのまま用いてもよいが、過去の一定期間のロール角の平均値を用いるようにすることが望ましい。本実施形態では、過去５秒間のロール角の平均値をロール角θｒとして用いている。求められた重力補正入力δ０は、図６に示す位置に入力される。
【００６０】
なお、本実施形態では、積分項による補正と重力補正入力による補正の両方を行っているが、これは、いずれか片方としても差し支えない。
【符号の説明】
【００６１】
１  自律走行車両、２  車両本体、３  スプレーノズル、４  アンテナ、５  コントローラ、６  参照車両、２１  操舵輪、２２  ステアリングアクチュエータ、２３  駆動輪、２４  ドライビングモータ、２５  操作部、２６  インタフェース、２７  記憶部、２８  位置・方位センサ。
【図１】
2015001906.tif 000042
【図２】
2015001906.tif 000043
【図３】
2015001906.tif 000044
【図４】
2015001906.tif 000045
【図５】
2015001906.tif 000046
【図６】
2015001906.tif 000047