JP7069624B2 - 位置演算方法、車両制御方法及び位置演算装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置演算方法、車両制御方法及び位置演算装置に関するものである。

従来より、航法衛星から送信される航法信号を受信し、受信した航法信号に基づいて定まる座標である衛星測位座標を演算し、慣性センサが検出する信号を取得して移動体の移動量を逐次算出し、仮想基準点から移動量だけ移動したとして移動体の位置を逐次決定し、航法信号を受信した時点における移動体の位置と衛星測位座標とにそれぞれ重み係数を乗じて定まる座標を仮想基準点の座標とし、位置更新処理が実行されるごとに、重み係数を大きくすることで、仮想基準点を衛星測位座標に近づける測位方法が知られている。

国際公開２０１６／２０３７４４号

しかしながら、上記従来技術の測位方法では、衛星の受信感度が悪くなり衛星の精度が一時的に低下した後、衛星の受信感度が良好になった場合に、測定される位置が不連続になり、位置の演算値の変化が大きいという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、位置の演算値の変化を抑制した位置演算方法又は位置演算装置を提供することである。

本発明は、センサの検出値及び衛星信号に基づき自車両の位置を自車位置として演算し、走行制御装置における自車両の動きの許容範囲に応じて自車位置の許容変化量を演算し、許容変化量と自車位置の変化量とを比較し、その比較結果に応じて自車位置の変化に制限をかける補正処理を実行し、当該補正処理後の自車位置を出力することによって上記課題を解決する。

本発明は位置の演算値の変化を抑制できる。

本実施形態に係る車両の車両制御システムのブロック図である。 図１に示す車両制御システムの機能ブロック図である。 図１に示す車両制御システムの制御フローを示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施の形態に係る車両の車両制御システムを図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、車両に搭載される走行制御装置を例示して本発明を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る車両の車両制御システムの構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る車両制御システムは、位置演算装置１０、車両制御装置２０及び駆動機構３０を備えている。位置演算装置１０は、ＧＰＳシステム及び自車両の状態を検出するセンサを用いて、自車両の現在位置を演算する。車両制御装置２０は、地図データを用いて自車両の走行経路を演算し、位置演算装置１０から自車両の現在位置を取得し、自車両が走行経路上を走行するように駆動機構３０を制御することで、自車両の走行を制御する。

位置演算装置１０は、受信機１１、ヨーレートセンサ１２、加速度センサ１３、及び演算装置１４を有している。これら装置は、相互に情報の授受を行うためにＣＡＮ（Controller Area Network）その他の車載ＬＡＮによって接続されている。

受信機１１は、複数の衛星通信から送信される電波を受信する。受信機１１は、ＧＰＳユニットに含まれる受信装置である。受信機１１は、ＧＰＳ電波から送信された信号を復調して、衛星測位信号（衛星信号）を演算装置１４に出力する。ヨーレートセンサ１２は、自車両に設けられ、自車両のヨーレート（旋回方向への回転角の変化速度）を検出する。加速度センサ１３は、自車両の加速度を検出するセンサである。加速度センサ１３にはジャイロセンサ等が使用される。

演算装置１４は、自車両の現在位置を演算し、現在位置を補正するためのプログラムを格納したＲＯＭ（Read Only Memory）と、このＲＯＭに格納されたプログラムを実行するプロセッサ（ＣＰＵ：Central Processing Unit）と、アクセス可能な記憶装置として機能するＲＡＭ（Random Access Memory）等を有している。演算装置１４は、演算された自車位置を車両制御装置２０に出力する。

車両制御装置２０は、走行経路を演算し、位置演算装置１０により演算された自車位置に基づき、自車両が走行経路上を走行するように、自車両の走行を制御する。自車両の前方に先行車両が存在する場合には、車両制御装置２０は、自車両と先行車両との車間距離をドライバが設定した車間距離に維持して自車両が先行車に追従するように、自車両を制御する。自車両の前方に先行車両が存在しない場合には、ドライバが設定した車速で自車両を走行させる速度制御が行われる。なお、車両制御装置２０による車両制御（自動運転制御）は、ドライバ介入を不要とする制御に限らず、ドライバ介入を一部必要とするような制御でもよい。車両制御装置２０は、カメラ２１、地図データベース２２、及び制御装置２３を備えている。

カメラ２１は、自車両の前方及び／又は後方に設置されており、自車両の周囲の道路や対象物を撮像する。地図データベース２２は、地図情報を記録している。地図情報は、各地図座標における道路形状の情報、たとえばカーブ、坂道、交差点、インターチェンジ、狭路、直線路、路肩構造物、合流地点に関する属性が、地図座標に対応付けて記録されている。

制御装置２３は、自車両の走行経路を演算し、自動運転制御を実行するためのプログラムを格納したＲＯＭと、このＲＯＭに格納されたプログラムを実行するプロセッサ（ＣＰＵ：Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を有している。これら装置は、相互に情報の授受を行うためにＣＡＮ（Controller Area Network）その他の車載ＬＡＮによって接続されている。制御装置２３は、自車両を自動走行させるための制御指令値を演算し、制御指令値を駆動機構３０に出力する。

駆動機構３０には、エンジン及び／又はモータ（動力系）、ブレーキ（制動系）およびステアリングアクチュエータ（操舵系）などが含まれる。本実施形態では、後述する自動走行制御が行われる際に、制御装置２３により、駆動機構３０の動作が制御される。

次に、図２を用いて、位置演算装置１０により演算処理及び車両制御装置２０による制御処理について説明する。図２は、演算装置１０及び制御装置２３にそれぞれ含まれる機能ブロックを示すブロック図である。

位置演算装置１０の演算装置１４は、演算処理を実行するための機能ブロックとして、自車位置演算部１４１、許容変化量演算部１４２、及び補正処理部１４３を有している。車両制御装置２０の制御装置２３は、自車両の走行制御処理を実行するための機能ブロックとして、走行経路演算部２３１及び走行制御部２３２を有している。

位置演算装置１０の演算処理を説明する。演算装置１４は、自車位置演算部１４１において、受信機１１で受信された衛星信号及びヨーレートセンサ１２等の各種センサの検出値により、自車位置を演算する。演算装置１４は、衛星信号から位置座標及び衛星信号の送信時刻をそれぞれ取得し、各種センサの検出値及び車速情報から車両の状態量を取得する。車両の状態量は、車両の現在の走行状態を表す値であり、車速、加速度、ヨーレート等で表される。車速情報は、自車両の走行速度を含む。ドライブシャフトなどの駆動系には、車速センサが設けられており、車速センサは車輪速パルス信号を出力する。そして、車速は、車輪速パルス信号のパルス間隔から演算される。ヨーレート及び加速度は、慣性センサ（ヨーレートセンサ１２及び加速度センサ１３）により検出される。

自車位置演算部１４１は、複数の衛星から送信される衛星信号で示される各時刻から電波伝搬時間を演算し、電波伝搬時間に光速を乗じて、受信機１１から複数の衛星までのそれぞれの距離を測定する。自車位置演算部１４１は、測定された各距離の交点を、衛星測位の自車位置として演算する。

自車位置演算部１４１は、自車位置の演算精度を高めるために、上記の衛星測位に対して、慣性航法を統合して自車位置を演算する。自車位置演算部１４１は、衛星測位で測定された自車位置及び車両状態量に対して、拡張カルマンフィルタ等の演算処理を実行する。衛星測位で演算される自車位置は、所定の周期で演算される時系列の離散値である。衛星測位で演算された演算値は誤差を含むため、自車位置演算部１４１は、フィルタリング処理を用いて誤差を小さくするような演算処理を行う。フィルタリング処理は、時系列で取得される演算値に対して、前回の演算値と今回の演算値とを比較しつつ、比較結果から次の自車位置を予測する。自車位置演算部１４１は、自車位置の予測のために車両の状態量を用いる。自車位置演算部１４１は、カルマンフィルタを用いてフィルタリング処理を繰り返し実行することで、衛星測位で測定された自車位置に対して最適な状態量を推定（特定演算）する。自車位置演算部１４１は、推定された最適な状態量を、自車位置として演算し、補正処理部１４３に出力する。なお、自車位置演算部１４１による自車位置の演算処理は、カルマンフィルタを用いた推定方法に限らず、他の公知の演算方法であってもよい。

演算装置１４は、許容変化量演算部１４２において、車両状態量に基づき、許容変化量を演算する。許容変化量は、自車位置の変化量の上限値を示している。衛星測位による自車位置の演算は、アンダーパス（高架下の通過時）やマルチパス等により衛星の受信感度が悪くなった場合には、自車位置演算部１４１による演算値が不連続になり、時系列でみたときに、演算値の変化量が大きくなる。そして、後述する車両走行制御において、変化量の大きな自車位置に基づき車両を制御した場合には、車両の挙動が急変する可能性がある。そのため、本実施形態では、許容変化量を演算し、自車位置の変化に上限を設け、自車位置の変化量に制限をかけている。

許容変化量は、車両の動き（挙動）の許容される範囲を、自車位置の変化量で表した値である。許容変化量は、自車両の動きの許容範囲に応じて設定されている。例えば、自動運転制御を実行するにあたって、車両の状態変化に対して乗員が違和感を受けるような、車両の動きの許容範囲を、車両状態量の制限値で予め決定する。例えば、自動運転制御における速度変化で、どの程度の速度変化（加速度）であれば、乗員が違和感を受けないか、実験又はシミュレーション等で予め決まる。決定された車両状態量に対応する自車位置の変化量が、許容変化量として設定される。車両状態量の制限値（車両の動きの許容範囲）は、例えば車両の横加速度で表される。横加速度は、自車両の進行方向に対して垂直方向への自車両の加速度（自車両の横方向成分の加速度）である。横加速度の制限の下限は－０．０５Ｇに設定され、横加速度の制限の上限は＋０．０５Ｇに設定される。

許容変化量演算部１４２は、下記式（１）～（６）を用いて許容変化量を演算する。まず、許容変化量演算部１４２は、車速情報から車速を取得し、式（１）を用いて、許容転舵量（δ）を演算する。

ただし、式（１）において、ｇは重力加速度を示し、ｌはホイールベースを示し、ｍは車両重量を示し、Ｖ_０は現在の車速を示し、ｌ_ｆは車両重心点から前車軸間の距離を示し、ｌ_ｇは車両重心点から後車軸間の距離を示し、Ｋ_ｆは前輪タイヤのコーナリングパワーを示し、Ｋ_ｒは後輪タイヤのコーナリングパワーを示す。

許容変化量演算部１４２は、式（１）の演算結果（δ）を用いて、式（２）及び式（３）により、許容されるヨーレート（γ）及び許容される車体スリップ角（β）を演算する。

許容変化量演算部１４２は、式（２）及び式（３）の演算結果（γ、β）を用いて、式（４）～式（６）により、許容変化量を演算する。

ただし、Ｘは自車両の横方向の位置座標を示し、Ｙは自車両の進行方向（縦方向）の位置座標を示し、θは自車両のＸ軸に対する方位角である。Ｘ_０、Ｙ_０は現在の自車位置の位置座標を示し、θ_０は現在の方位角である。なお、ｔは任意の時間であり、例えばサンプリング時間とすればよい。

許容変化量演算部１４２は、式（４）～式（６）に含まれる第２項の値を、許容変化量として演算し、補正処理部１４３に出力する。

演算装置１４は、補正処理部１４３において、自車両の位置の変化量を演算し、許容変化量と自車位置の変化量とを比較し、その比較結果に応じて自車位置の変化を補正する。

補正処理部１４３は、自車位置演算部１４１により演算された自車位置の前回値と今回値との差分を演算することで、自車位置の変化量を演算する。自車位置は、位置座標（Ｘ、Ｙ）及び方位角（θ）で表される。補正処理部１４３は、自車位置を示す複数の指標（位置座標、方位角）に対して、それぞれ変化量を演算し、許容変化量（Ｘ、Ｙ、θ）と対応させて比較する。変化量が許容変化量以下である場合には、補正処理部１４３は、自車位置演算部１４の演算値を補正せず、自車位置演算部１４１の出力値を位置演算装置１０の最終的な出力演算値として車両制御装置２０に出力する。出力演算値は、位置演算装置１０から車両制御装置２０に出力される自車位置の演算値である。

変化量が許容変化量より大きい場合には、補正処理部１４３は、変化量が許容変化量（許容上限値）となるように自車位置の変化に制限をかけて、自車位置を補正する。そして、補正処理部１４３は、補正後の自車位置の演算値を、位置演算装置１０の最終的な出力演算値として、車両制御装置２０に出力する。これにより、補正処理部１４３は、自車位置の変化が許容変化量以下となるように、自車位置の演算値に対して補正処理を行う。

車両制御装置２０の制御処理を説明する。制御装置２３は、走行経路演算部２３１において、自車両の走行経路を演算する。走行経路演算部２３１は、目的地の情報及び地図情報を用いて、自車両の走行経路を演算する。目的地は、ドライバ又はユーザから入力される。地図情報は、地図データベース２２に記憶されている。走行経路は、自車両が走行すべき車線を表している。走行経路演算部２３１は、演算された走行経路を走行制御部２３２に出力する。

走行制御部２３２は、カメラ画像を用いて先行車の位置を検出する。走行制御部２３は、位置演算装置１０から、自車両の現在位置を取得する。走行制御部２３は、自車両が先行車と所定の間隔を空けて追随しつつ、自車両が走行経路上を走行するように、速度制御及び操舵制御を実行するための制御指令値を演算する。制御指令値は、アクセル開度、ブレーキ操作量、ステアリングアクチュエータの動作量等で表される。走行制御部２３は、演算された制御指令値を駆動機構３０に出力する。

次に、車両制御システムの制御フローを、図３に示すフローチャートを用いて説明する。図３において、ステップ１～ステップ９の制御フローは、位置演算装置１０で実行される制御フローを示し、ステップＳ１０の制御フローは車両制御装置２０で実行される制御フローを示す。なお、ステップ１～ステップ１０の制御フローは、自動運転制御の実行中、所定の周期で繰り返し実行される。

ステップ１にて、受信機１１は衛星信号を受信する。ステップ２にて、演算装置１４は、車速情報を取得する。ステップ３にて、演算装置１４は、ヨーレートセンサ１２等の各種センサから車両状態量を取得する。ステップ４にて、演算装置１４は、衛星信号及びセンサの検出値に基づき自車位置を演算する。具体的には、自車位置演算部１４１は、衛星測位による測定方法（外部信号を用いた位置測定方法）と慣性航法とを統合して、自車位置を演算する。

ステップ５にて、演算装置１４は、車両状態量に基づき許容変化量を演算する。ステップ６にて、演算装置１４は、前回の自車位置と今回の自車位置との差分をとることで、自車位置の変化量を演算する。ステップ７にて、演算装置１４は、自車位置の変化量と許容変化量とを比較し、自車位置の変化量が許容変化量以下であるか否かを判定する。

自車位置の変化量が許容変化量以下であると判定した場合には、ステップ８にて、演算装置１４は、衛星測位と慣性航法とを統合して演算された自車位置の演算値を、出力演算値として、車両制御装置２０に出力する。自車位置の変化量が許容変化量より大きいと判定した場合には、ステップ９にて、演算装置１４は、自車位置の変化量が許容変化量（許容上限値）となるように、自車位置の演算値を補正し、補正処理後の演算値を出力演算値として、車両制御装置２０に出力する。

ステップ１０にて、車両制御装置２０の制御装置２３は、車両制御装置２０から出力された、自車位置の演算値及び走行経路に基づき制御指令値を演算し、駆動機構３０に出力する。これにより、自車両の車両走行制御（自動運転制御）が実行される。

上記のように本実施形態では、センサの検出値及び衛星信号に基づき自車両の位置を自車位置として演算し、自車両の動きの許容範囲に応じて設定される自車位置の許容変化量と自車位置の変化量とを比較し、その比較結果に応じて自車位置の変化に制限をかける補正処理を実行し、補正処理後の自車位置を出力する。これにより、衛星の測位状態が悪い状況において自車位置の変化を抑制できる。

また本実施形態では、自車両の状態に基づき許容変化量を演算し、自車位置の変化量が許容変化量より大きい場合には、自車位置に変化に制限をかけるように、自車位置の補正処理を実行する。これにより、自車位置の変化量が許容変化量以下に収まるように、自車位置の変化を抑制できる。

また本実施形態では、横加速度の変化量の上限値に基づき許容変化量を演算する。これにより、自車位置の横方向の加速度の変化が許容値以下に収まるように、自車位置の変化を抑制できる。

また本実施形態では、許容変化量は、平面座標系における位置変化の許容値と、自車両のヨーレートの変化の許容値により設定されている。これにより、自車位置の平面座標系の位置変化に加えて、ヨーレートの変化を抑制できる。

また本実施形態では、地図データを用いて自車両の走行経路を演算し、補正処理後の自車位置と走行経路に基づき、自車両が走行経路上を走行するように車両の走行を制御する。これにより、自車位置変化に伴う車両挙動の急変を抑制し、様々な走行環境に対して安定した走行制御を実現できる。

また本実施形態では、自車両の位置変化量が許容変化量以下である場合には、補正処理前の自車位置と走行経路に基づき、自車両が走行経路上を走行するように自車両の走行を制御する。これにより、自車位置の変化が許容範囲内になった場合には、車両走行制御に使用される自車位置の演算値を真値に戻すことができる。

なお、本実施形態の変形例に係る位置演算方法又は位置演算装置１０として、許容変化量演算部１４２は、走行軌跡に基づき許容変化量を演算してもよい。走行軌跡は、自動運転制御を実行する際に、自車両が走行するための目標軌跡に相当する。車両制御装置２０は、自動制御制御を行うにあたって、車両軌跡予測モデルを用いて、自車両の目標軌跡を演算する。車両制御装置２０は、走行経路、地図情報及びカメラ画像を用いて、自車両が走行すべき目標軌跡を演算する。

許容変化量演算部１４２は、演算された目標軌跡に対して許容される位置の変化量を、許容変化量として演算する。許容変化量は、走行経路上の道路形状に応じて設定される。例えば、車両が交差点を右折する場合には、車両横方向の挙動はある程度の大きさまで許容される。一方、車両が直線道路を走行しており、車両の横方向の変化が大きい場合には、乗員に対して違和感を与える。そのため、許容変化量演算部１４２は、目標軌跡が直線である場合には、許容変化量を小さくし、目標軌跡が右左折あるいは曲線である場合には、許容変化量を大きくする。これにより、変形例では、自車位置の急な変化を抑制しつつ、車両姿勢の変化も抑制できる。

１０…位置演算装置
１１…受信機
１２…ヨーレートセンサ
１３…加速度センサ
１４…演算装置
２０…車両制御装置
２１…カメラ
２２…地図データベース
２３…制御装置
３０…駆動機構
１４１…自車位置演算部
１４２…許容変化量演算部
１４３…補正処理部
２３１…走行経路演算部
２３２…走行制御部

Claims (8)

1. 衛星信号を受信し、
   センサを用いて、自車両の状態を検出し、
   前記衛星信号及び前記センサより検出された検出値に基づき前記自車両の位置を自車位置として演算し、
   前記自車位置に基づいて前記自車両が走行経路上を走行するように自車両の走行を制御する走行制御装置に、前記自車位置を出力する位置演算方法であって、
   前記自車位置の変化量を演算し、
   前記センサより検出された検出値に基づき、前記走行制御装置における前記自車両の動きの許容範囲に応じて前記自車位置の許容変化量を演算し、
   
   前記許容変化量と前記自車位置の変化量とを比較し、その比較結果に応じて前記自車位置の変化に制限をかける補正処理を実行し、
   前記補正処理後の前記自車位置を出力する位置演算方法。
2. 請求項１記載の位置演算方法であって、
   前記自車両の状態に基づき前記許容変化量を演算し、
   前記補正処理において、前記自車位置の変化量が前記許容変化量より大きい場合に、前記自車位置に変化に制限をかける位置演算方法。
3. 請求項２記載の位置演算方法であって、
   横加速度の変化量の上限値に基づき前記許容変化量を演算し、
   前記横加速度は、前記自車両の進行方向に対して垂直方向への前記自車両の加速度を示す位置演算方法。
4. 請求項２又は３記載の位置演算方法であって、
   前記自車両の走行軌跡を演算し、
   前記走行軌跡に基づき前記許容変化量を演算する位置演算方法。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の位置演算方法において、
   前記許容変化量は、平面座標系における位置変化の許容値と、前記自車両のヨーレートの変化の許容値により設定されている位置演算方法。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の位置演算方法により演算された前記自車位置に基づき車両を制御する車両制御方法において、
   地図データを用いて前記自車両の走行経路を演算し、
   前記補正処理後の前記自車位置と前記走行経路に基づき、前記自車両が走行経路上を走行するように前記自車両の走行を制御する車両制御方法。
7. 請求項６に記載の車両制御方法において、
   前記自車両の位置の変化量が前記許容変化量以下である場合には、前記補正処理前の前記自車位置と前記走行経路に基づき、前記自車両が走行経路上を走行するように前記自車両の走行を制御する車両制御方法。
8. 衛星信号を受信する通信機と、
   自車両の状態を検出するセンサと、
   前記衛星信号及び前記センサより検出された検出値に基づき前記自車両の位置を自車位置として演算し、前記自車位置に基づいて前記自車両が走行経路上を走行するように自車両の走行を制御する走行制御装置に、前記自車位置を出力するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、
   前記自車位置の変化量を演算し、
   前記センサより検出された検出値に基づき、前記走行制御装置における前記自車両の動きの許容範囲に応じて前記自車位置の許容変化量を演算し、
   前記許容変化量と前記自車位置の変化量とを比較し、その比較結果に応じて前記自車位置の変化に制限をかける補正処理を実行し、
   前記補正処理後の前記自車位置を出力する位置演算装置。

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